Medicina nuclear: cómo iluminar el interior de nuestro cuerpo con aceleradores de partículas

La motivación histórica de los grandes aceleradores de partículas creados en el siglo XX se centró inicialmente en el ámbito de la ciencia básica, pero hoy sus aplicaciones se han extendido para mejorar la vida cotidiana de la humanidad. Estas incluyen aspectos tan variados como la preservación de los alimentos, la potabilización del agua, la fabricación de semiconductores, la creación de biomoléculas, la construcción de nuevos materiales poliméricos y, sobre todo, la medicina y la farmacología.

La medicina nuclear recurre a átomos de un mismo elemento cuyos núcleos poseen una cantidad diferente de neutrones, que se denominan isótopos o radioisótopos si además emiten alguna partícula.

Estos radioisótopos se han ido fabricando en las últimas décadas para varios usos médicos como la terapia y el diagnóstico mediante imagen computerizada. La técnica más extendida para la imagen computerizada mediante radioisótopos es la llamada SPECT (Single Photon Emission Computer Tomography), mediante el isótopo Tecnecio-99m (99mTc), que emite fotones (rayos gamma).

Este fármaco consiste, básicamente, en una microlinterna que ilumina el cuerpo humano. El escáner SPECT, mediante una cámara sensible a estos fotones, rota alrededor del paciente y captura imágenes completas que un computador va clasificando en secciones. La producción de 99mTc se realiza desde hace décadas en reactores nucleares usando decaimiento de Molibdeno-99 y en la ultima década también mediante aceleradores de protones que la IAEA (International Atomic Energy Agency) propone utilizar.

Una de las técnicas de visualización diagnóstica médica de mayor utilidad en la práctica es la denominada PET (Positron Emission Tomography). Aunque PET aún se utiliza menos que la anterior SPECT –en parte por su relativo alto coste– ha mejorado y su uso es mucho más amplio en medicina, dado que la imagen que se obtiene genera mucha mejor resolución. Por eso, su interés se ha expandido en los últimos años a distintas especializaciones de la medicina nuclear.

La imagen de nuevos PET mediante diversos radiofármacos es, por tanto, un campo de investigación de extraordinaria importancia para la biomedicina actual.

Radiofármacos para PET

Para el diagnóstico médico mediante PET son de primera importancia diversos emisores de positrones de corta vida media. Algunos de los radioisótopos que pueden fabricarse mediante el uso de aceleradores a baja energía son el Flúor 18, el Oxígeno 15, el Nitrógeno 13 y el Carbono 11 (18F, 15O, 13N y 11C, respectivamente).

Como los positrones son la antimateria de los electrones, estos radiofármacos emiten positrones que, al colisionar con electrones del cuerpo del paciente, generan fotones que crean una imagen. Esta se procesa por ordenador para que el personal médico pueda ver y diagnosticar.

Estos fármacos se comportan como unas nanolinternas indirectas que permiten imágenes de alta resolución para diagnosticar múltiples patologías.

Un reto logístico

El Flúor 18 es uno de los isótopos más usados en muchos hospitales. Puede fabricarse externamente, ya que tiene vida media corta pero suficientemente larga (aproximadamente 110 minutos), para poderse enviar al centro médico desde fuera.

Aun así, el envío externo requiere fabricación de muchas más dosis de alta actividad radiactiva, ya que una parte decae y se desactiva durante las horas del transporte. Globalmente, por tanto, la fabricación externa actual del radiofármaco requiere excesos en términos económicos, energéticos, radioactivos y de rapidez. La eficiencia de estas cuestiones pueden mejorarse mediante fabricación local de dosis farmacéuticas a medida en el propio hospital.

El Oxígeno, Nitrógeno y Carbono son elementos muy importantes, ya que constituyen las células del cuerpo humano y pueden usarse para etiquetar gran variedad de compuestos farmacéuticos útiles.

Sin embargo, la corta vida media de sus isótopos (entre dos y veinte minutos) requiere fabricación local dentro del propio hospital. Esto implica la imposibilidad de su uso médico a menos que se fabrique de forma inmediata y sin necesidad de transporte.

Existe muchísimo interés por estos otros radiofármacos para PET, que escasas veces se utilizan aún en medicina. En particular, es muy notable el gran interés del 11C, que puede reemplazar el ordinario 12C en cualquier molécula del cuerpo humano.

En este caso del radioisótopo Carbono 11 podemos imaginar que la nanolinterna que ilumina las imágenes del PET gasta su batería en unos pocos minutos y después de funcionar desaparece sin necesidad de eliminarla.

La fabricación local de todo tipo de radiofármacos PET es, por tanto, una importante aplicabilidad para la biomedicina. La fabricación local y a medida de estos prometedores isótopos mediante aceleradores compactos permitiría su uso médico real.

Aceleradores para producción de radiofármacos

La manera más común de fabricación de radiofármacos son los reactores nucleares o aceleradores de partículas. La forma más habitual hoy es el empleo de ciclotrones, que se han utilizado desde hace varias décadas.

Estos dispositivos son pesados y voluminosos, y suelen acelerar protones a energías de decenas de MeV (Mega electrón-Voltios) en las aplicaciones médicas. Su coste de fabricación y de funcionamiento, mantenimiento y gasto energético es alto e impide que los hospitales generalicen su empleo.

Los aceleradores lineales (LINear ACcelerator, LINAC), en particular una nueva generación compacta, tienen diversas ventajas con respecto a los tradicionales ciclotrones.

En primer lugar, los Linac tienen menores pérdidas de haz con respecto a los ciclotrones, dado que estos últimos, por su propia naturaleza circular, están sometidos en todo instante a fuerza de Lorentz centrípeta que radia fotones tangencialmente y el haz pierde energía.

En segundo lugar, la nueva generación de Linacs son mucho más compactos, económicos, ligeros, y con requerimientos bajos, tanto de gasto energético como de protección radiactiva.

Por estas numerosas ventajas este tipo de aceleradores se convierten en una excelente alternativa para producir radiofármacos en el propio hospital a baja energía de protones.

Proyecto Linac 7

Linac 7 es un proyecto consistente en un acelerador lineal de protones de nueva generación completamente concebido, diseñado y construido en el Laboratorio de Haces de Partículas (IZPILab-Beam Laboratory) de la Universidad del País Vasco UPV/EHU, y muchos de cuyos componentes están actualmente en funcionamiento.

Una de las aplicaciones sanitarias más importantes concebidas dentro de dicho proyecto es la producción de fármacos de diversas especies, localmente en torno a grandes centros clínicos. Las dimensiones y características del acelerador pueden servir a un hospital en un laboratorio interno o incluso permite ser embarcado en un pequeño camión para compartir un calendario de fabricaciones de radiofármacos a la carta en múltiples instalaciones médicas que así lo soliciten.

Existe muchísimo interés en Europa por el uso de distintas opciones de aceleradores de partículas para fabricación de radioisótopos médicos. En particular, la Comisión Europea impulsa el Consorcio ARIES (Accelerator Research and Innovation for European Science and Society), cuyo informe, publicado el 22 de Junio 2020, describe el estado actual en la fabricación de radioisótopos médicos con aceleradores y expresa de forma muy específica el interés científico, médico e industrial del desarrollo de nuevos Linacs para PET.

Victor Etxebarria Ecenarro, Catedrático, Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.