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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 de un campo

electromagnético liberado en pulsos por un cañón. 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 electrón-

volt (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 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-is-

cancer/treating-cancer/history-of-radiotherapy/radiotherapy3

http://www.cancer.org/cancer/cancerbasics/thehistoryofcancer/the-history-of-cancer-cancer-

treatment-radiation

http://cerncourier.com/cws/article/cern/29777

http://www.radiologyinfo.org/sp/info.cfm?pg=linac

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Bibliografía

1. P. Mayles, A Nahum y J. C. Rosenwaldm, Handbook of Radiotherapy and Physics:

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.