Electrones en la batalla contra el cáncer

Electrones en la batalla contra el cáncer
Adriana Pliego
Lo que no mata, fortalece
En 1896 el físico alemán Conrad Roentgen presentó a la comunidad
científica un nuevo tipo de rayo. Roetgen lo nombró “X”, ya que la letra
“x” se utiliza en álgebra para denotar una variable desconocida. Cuando se
demostró
que la
exposición a la radiación X producía
quemaduras
cutáneas, los médicos comenzaron a utilizarla para tratar crecimientos de
tejidos anormales y otras lesiones de la piel. En ese entonces se pensaba
que la radiación producía un efecto bactericida en el tejido. También se le
atribuyó este efecto antiséptico al radio descubierto por Marie y Pierre
Curie en 1989. Sin embargo con el aumento del número de pacientes
tratados con radiación, se descubrió que la tolerancia a la exposición era
menor a lo esperado. De esta manera se hizo evidente que aquello con lo
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que se pretendía curar a un paciente podía dañarlo fatalmente. Surgió
entonces la necesidad de dosificar la radiación.
Al inicio del siglo XX se descubrió que la radiación causa cáncer,
pero que
también lo cura si se aplica en dosis pequeñas. En ese
entonces los médicos utilizaban la piel de sus brazos para evaluar la
intensidad de la radiación. Buscaban una reacción rosada parecida a una
quemadura por exposición solar. Como era de esperarse, la manera en la
que estos pioneros “calibraban” sus equipos eventualmente les produjo
leucemia.
En 1922 Claudis Regaud, uno de los primeros radioterapeutas en el
mundo y fundador del Instituto Curie, probó que aplicar fracciones de una
dosis de radiación
era igual de efectivo que aplicarla completa y que
esto provoca menos efectos secundarios. A partir de entonces se observó
que la radioterapia aliviaba los síntomas de los pacientes.
En los 30 años
siguientes la industria de la tecnología médica ha estado fabricando
generadores de radiación cada vez más potentes y precisos.
La artillería pesada
Muchos de los tratamientos para combatir el cáncer se aplican con
máquinas de diferentes tamaños. La más grande y aparatosa que se utiliza
es el acelerador lineal de uso clínico o “linac” (palabra construida del
inglés para acelerador lineal). El cuarto donde este equipo opera se
recubre con plomo para impedir el paso de la radiación a los cuartos
adyacentes. Este tipo de cuartos se localizan usualmente en la planta más
baja de los hospitales debido a su peso. Además, para que operen
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adecuadamente deben cumplirse condiciones especiales de temperatura y
humedad.
Los electrones dentro de un linac ganan energía mediante la
interacción con una onda de radiofrecuencia de entre 300 MHertz y 300
GHz,
conocida
como
microonda.
Ésta
proviene
electromagnético liberado en pulsos por un cañón.
de
un
campo
Las microondas viajan
al aire libre a la velocidad de la luz, pero en un linac lo hacen a través
de una guía de onda, donde la velocidad disminuye sustancialmente al
inicio para recuperar velocidades cercanas a la de la luz a la salida ( ver
figura 1). Los electrones que surgen del cañón se inyectan en la guía al
mismo tiempo que se generan pulsos de microondas de 2.85 GHz que los
transportan al extremo final de la guía de onda.
,
Figura 1. Diagrama esquemático de un acelerador lineal para radioterapia. Los electrones
se inyectan en el cañón mediante un campo electromagnético producido por una fuente
de microondas
(tomado de 2).
El acelerador lineal utiliza tecnología de microondas (similar a la que se
usa para el radar) para acelerar los electrones y luego permite que éstos
choquen contra un blanco de metal pesado. Como resultado de estos
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choques en el blanco se producen rayos X de alta energía, que son
moldeados a medida que abandonan la máquina para formar un haz de
forma semejante al tumor del paciente.
Los electrones de los aceleradores lineales son útiles para tratar
tumores a una profundidad de hasta 70 mm en el cuerpo del paciente. El
reto para aquellos que diseñan estas máquinas tan complejas, es producir
un haz que incida en un punto muy focalizado y que el haz sea estable,
de manera que la radiación se delimite al área de la lesión sin involucrar
al tejido circundante.
La unidad de medida de la energía de los electrones es el electrónvolt (eV), que corresponde a la energía cinética que adquiere un electrón
cuando es acelerado por una diferencia de potencial de 1V. Los linacs
modernos pueden generar energía de más de 20 MeV (Mega electrón-volt).
La cantidad de energía a aplicar en un tratamiento se elige de acuerdo a
las características del tumor. Con los linacs también se puede aplicar
terapia de fotones.
El fotón es la partícula fundamental de la luz visible y de toda la
radiación electromagnética. La energía dentro del fotón varía de acuerdo al
tipo de radiación emitida. Los fotones de los rayos gama tienen la energía
más alta, le siguen los de los rayos X. Cuando el linac trabaja en
modalidad de fotón, el haz generado es de radiación X. Para tumores
localizados a menos de 70 mm de profundidad, se recomienda el uso de
electrones, y
los fotones se utilizan para tratar tumores con inserciones
más profundas.
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Un poco de historia
El
primer
linac
de
uso
clínico
comenzó
a
trabajar
en
el
Hospital
Hammersmith, en Londres, en 1953 (figura 2). Su guía de onda era de tres
metros de longitud. Se colocó dentro de un tubo horizontal paralelo al
paciente, quien permanecía acostado dentro del cuarto blindado. Para que
el haz de electrones cayera perpendicular al paciente, era necesario doblar
el haz 90º. Es posible dirigir la trayectoria de los haces de electrones por
medio de campos electromagnéticos.
Figura 2. Maqueta del primer acelerador de electrones del Hospital Hammersmith, Londres,
1953 (tomado de 1).
Tan sólo cuatro años después salió a la luz un diseño estadounidense
producido
en la Universidad
de Stanford, California.
Este acelerador
generaba electrones de hasta seis MeV en una guía de onda de casi la
mitad del tamaño del modelo del Reino Unido. En 1962 los hermanos
Varian, también de Stanford, utilizaron en su modelo una guía de onda de
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30-35 cm de longitud. Esto permitió que la guía de onda se colocara
verticalmente y no en horizontal, como hasta entonces lo hacían los
ingenieros y físicos del área. La rotación de la guía de onda terminó con
la necesidad de doblar el haz de electrones (figura 3). Sin embargo aún se
utilizan guías de onda horizontales. Los americanos y los japoneses
prefieren el diseño vertical, mientras los británicos, aunque la guía de onda
sea pequeña, prefieren colocarla horizontalmente.
Figura 3. Guía de onda vertical dentro de un acelerador vertical, tal como la colocaban
los Varian (tomado de 1).
Colisiones de vida o muerte
El verdadero blanco de la colisión son las células madre primitivas que se
convirtieron en cancerígenas. Éstas se definen como células con la
capacidad
de
perpetuarse
mediante
mecanismos
de
auto
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renovación
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(producción de copias de sí mismas durante un periodo indefinido de
tiempo) y de convertirse en células maduras de un tejido particular
mediante un proceso que se llama diferenciación. Las células madre
cancerígenas son células alteradas con un gran capacidad de proliferación
que forman tumores.
En condiciones normales las células madre son las responsables de
generar los epitelios y las células de la sangre. Los epitelios forman el
revestimiento externo e interno de todo el organismo: piel, cavidades, tubo
digestivo,
hígado,
páncreas,
vías
pulmonares,
órganos
reproductores,
mucosas, etc. Cuando las células madre son clasificadas como malignas,
es que algo falla en sus genes y han comenzado
a multiplicarse
incontrolablemente. En los epitelios la multiplicación desmesurada de
células forma tumores y en la sangre los glóbulos blancos “traidores”
cambian la sangre roja y sana por “sangre blanca” o leucemia.
Una vez que los electrones dejan la guía de onda del acelerador, chocan
frontalmente con las células cancerosas. Las células dañadas no mueren
de inmediato, sino que producen una modesta familia de descendientes
incapaces de reproducirse
(figura 4 y 5).
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Figura 4 y 5. Después de una irradiación de ocho Gy las células pierden su capacidad de
reproducirse. El diagrama 1 (izquierda) muestra la descendencia de dos células irradiadas
con 8 Gy. En algunos casos, como el de la célula hija (a), la muerte ocurre antes de
dividirse (mitosis), en otros, como en las células (b) y (c), se dividen algunas veces antes
de morir. También se observa fusión de células, como en los casos (d) y (e). El diagrama
2 (derecha) muestra las divisiones por las que atraviesan las células normalmente.
Los electrones del haz del acelerador ionizan el tejido vivo; es decir,
liberan electrones de sus átomos. La molécula más abundante en la célula
es
el
agua.
El
agua
ionizada
al
perder
electrones
forma
los
tan
estigmatizados radicales libres. Como los radicales libres son moléculas
muy inestables, reaccionan con moléculas cercanas y les transfieren
inestabilidad química. Todos los componentes de la célula son afectados
por esto: proteínas, enzimas y elementos de la membrana celular. A pesar
de lo terrible que el daño aparenta ser, no es sustancial, ya que la célula
cuenta con todo un sistema dedicado a regenerar lo perdido rápidamente.
Sin embargo hay una molécula que no se recupera fácilmente, el ADN. Su
molécula en cadena de doble hélice es muy larga y forma los genes que
contienen las instrucciones para formar proteínas y para todo lo referente
al funcionamiento celular. Aunque los genes siempre van en pares, si
alguno de los dos falla, el daño por radiación puede hacer que ambos se
modifiquen irreversiblemente o se pierdan. Al perderse un gen, se pierden
todas las funciones específicas de las que contenía información, algunas
esenciales para la supervivencia.
La dosis de radiación absorbida por el tejido vivo se mide en grays
(Gy). Un gray es la absorción de un joule de energía en forma de
radiación ionizante por kilogramo de materia. Lo anterior quiere decir que
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un mismo haz de electrones ionizará más átomos en un kilogramo de
tejido vivo que en un kilogramo de aire. Además, no todas las células son
igual de sensibles a la radiación; los linfocitos, por ejemplo, mueren antes
de poder reproducirse. Por si fuera poco, no solamente es importante la
dosis absorbida en el lugar radiado, también influye el tiempo transcurrido
entre dos o más radiaciones consecutivas. A la dosificación de la radiación
se le conoce como fracciones.
Los refuerzos deben llegar a tiempo
La dosis de radiación en una terapia se divide en fracciones que pueden
incidir en alguna etapa de la vida celular
y que se aplican en diferentes
tiempos. La vida de una célula se divide fundamentalmente en dos etapas:
interfase,
cuando
no
se
está
reproduciendo,
y
fase
M,
cuando
se
reproduce por división. La interfase, a su vez, se divide en las subetapas
G1, S y G2. En las células que crecen en medios de cultivo se ha visto
que las que son irradiadas durante la última parte de la fase S
son más
resistentes que las irradiadas en G2 o durante la fase M. La letra S de la
fase se refiere a la palabra “síntesis”. Durante esta etapa se replica o
sintetiza el ADN dentro del núcleo. En cambio, durante G2 la célula se
prepara para reproducirse. Es probable que las células sean más sensibles
en G2 por el poco tiempo que tienen para auto repararse
antes de
dividirse (figura 6).
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Figura 6. El ciclo celular consiste en las siguientes fases: “intervalo” (G1 y G2, del inglés
“gap” 1 y “gap” 2), una fase S (de síntesis), donde se duplica el material genético, y una
fase M (de mitosis), donde el material genético se parte y una célula se divide en dos
células.
Inmediatamente después de recibir una dosis de radiación, algunas células
habrán
perdido
su
capacidad
para
reproducirse,
mientras
que
las
sobrevivientes estarán atravesando la fase S. Si se da el tiempo suficiente
para que las sobrevivientes
pasen de la fase S a otra donde se
encuentran más radiosensibles, el efecto de la radiación en ellas es mayor,
lo cual incrementa la cantidad de células cancerígenas muertas.
Cuanto más oscura es la noche, más cerca está el amanecer
Después de 60 años desde la instalación del primer acelerador para uso
clínico en Hammersmith, más de 40 millones de pacientes se han tratado
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con radioterapia alrededor del mundo. De acuerdo al CERN (Organización
Europea para la Investigación Nuclear), en los países en desarrollo se
detectan 40,000 casos de cáncer por cada 10 millones de habitantes, de
los cuales alrededor de la mitad recibirá radioterapia generada por un
LINAC. La batalla contra el cáncer aún no está ganada, pero hoy las
trincheras las ocupan equipos multidisciplinarios, formados por médicos,
físicos e ingenieros. Su colaboración está generando herramientas nuevas y
más poderosas para combatirlo, de tal manera que cada día aumenta la
probabilidad de sobrevivirlo. No obstante, el arma más poderosa es la
prevención.
Existen
métodos
de
detección
temprana,
como
la
autoexploración para cáncer de mama o la prueba de antígeno prostático,
para hombres mayores de 40 años. También es importante conocer las
sustancias que lo propician, como el tabaco, el benceno y algunos
insecticidas, entre otros, para evitar, al máximo, el contacto con ellas.
Se agradecen las
sugerencias del M. en C. Guillermo Neumann Coto y del
Fis. José Antonio Fragoso Uroza.
Referencias electrónicas
http://www.cancerresearchuk.org/cancer-info/cancerandresearch/all-about-cancer/what-iscancer/treating-cancer/history-of-radiotherapy/radiotherapy3
http://www.cancer.org/cancer/cancerbasics/thehistoryofcancer/the-history-of-cancer-cancertreatment-radiation
http://cerncourier.com/cws/article/cern/29777
http://www.radiologyinfo.org/sp/info.cfm?pg=linac
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Bibliografía
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Theory and practice, Taylor & Francis Group, EU, 2007.
2.
David
I
Thwaites
y
John
B
Tuohy,
“Back
to
the
future:
the
history
and
developement of the clinical linear accelerator”, Physics in Medicine and Biology,
vol. 51, 2006, R343-R362.
3.
M. Tubiana, J. Dutrix y A. Wambersie, Introduction to Radiobiology , Taylor & Francis
Group, EU, 2005.
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