Un físico del CERN propone el uso de muones para detectar células tumorales malignas sin dañar las células sanas del paciente

Tommaso Dorigo es un físico de partículas experimental que trabaja para el INFN  y la Universidad de Padova, y colabora con el  experimento CMS  en el CERN.

En este artículo, explica el uso de partículas como los protones y los fotones para tratar y detectar tumores. Pero, además, propone la posibilidad de usar muones para detectar células malignas. Su propuesta a día de hoy es solo una loca teoría, pero significaría un sistema no dañino y más eficaz para desintegrar un tumor.

El texto de Tommas Dorigo:

Quizás sepa, o mejor aún, no sepa, que para tratar a pacientes con algunos tipos de tumores no operables, podemos recurrir a métodos asistidos por radiación.

Aquí se necesitan dos cosas: una, una imagen precisa del área del cuerpo que necesita ser destruida o extirpada; y dos, un método para hacerlo que sea seguro.

Con haces de fotones o, mejor aún, protones o núcleos ligeros (p. Ej., Iones de carbono), es posible irradiar tumores y así destruirlos. Algunas características de los protones o iones de carbono que viajan en la materia a energías específicas los hacen muy útiles, en particular, ya que tienden a depositar la mayor parte de su energía cinética cuando se detienen (lo que provoca el llamado «pico de Bragg» en la liberación de energía). Pero antes de que podamos hacer ese truco, necesitamos saber exactamente dónde están las células malignas.

Obtener imágenes de un tumor

Obtener imágenes de un tumor en el cuerpo humano no es demasiado difícil a priori. Una técnica consiste en inyectar al paciente alguna sustancia que sea absorbida preferentemente por las células malignas, y si la sustancia es un emisor de radiación, se puede captar esa radiación y reconstruir una imagen en 3D del área. El tumor habrá sido desvelado.

Los escáneres PET funcionan de esa manera. Un segundo método es apuntar al área con un haz de protones e inferir la composición del tejido involucrado reconstruyendo las trayectorias de los protones. Si han cruzado un tumor, su trayectoria será distinta. Los protones se dispersan en ángulos más grandes cuando cruzan núcleos más pesados.

Esta última es una forma de tomografía que también se emplea en otros casos utilizando rayos cósmicos como sondas.

Ambas técnicas anteriores tienen el inconveniente de que existe un daño colateral: el paciente recibe una dosis de radiación en el tejido sano durante el proceso de obtención de imágenes.

Ahora, consideremos los muones. El muón es una réplica más pesada del electrón. Es una partícula elemental que se desintegra en 2,2 microsegundos, en promedio, a un electrón y dos neutrinos. Está cargado eléctricamente, como su hermano más ligero, y sufre interacciones débiles o electromagnéticas.

Debido a su gran masa (200 veces el electrón), normalmente deposita solo una cantidad muy pequeña de energía cuando atraviesa la materia.

Pero lo más interesante aquí es que el muón negativo (el que está cargado como el electrón) hace un truco cuando se detiene en la materia: resiste la atracción de los núcleos atómicos y «cae» a una órbita estrecha alrededor del núcleo, cuando en realidad, pasa una parte importante de su tiempo empujando protones y neutrones.

El muón es 200 veces más pesado que el electrón, por lo que su órbita es más cerrada. Este fenómeno se llama «captura de K». Durante la caída en el núcleo, el muón libera unos rayos X que experimentalmente son muy útiles para señalar la ocurrencia del fenómeno.

Una vez que el muón está orbitando el núcleo en la capa interna, puede interactuar con los protones mediante una reacción beta inversa, produciendo un neutrón y un neutrino muón.

Este fenómeno libera un neutrón rápido, que puede detectarse y «etiquetar» aún más el proceso.

Lo más interesante es el hecho de que la probabilidad de esta desintegración beta inversa, y por lo tanto su velocidad de ocurrencia, depende en gran medida del tipo de núcleo en el que orbita el muón: de hecho, es posible, al menos en teoría, identificar el tipo de núcleos que absorben muones negativos con solo recolectar un puñado de mediciones de tiempo.

Porque, mientras que un muón libre tiene una vida útil de 2,2 microsegundos, la vida útil de un muón capturado por K en diferentes núcleos puede ser un orden de magnitud menor y varía de manera muy significativa con el número atómico.

¿Por qué todo lo anterior es relevante para las imágenes en 3D? Bueno, imagine que selecciona una sustancia con la que inyectar a su paciente, que contiene átomos fácilmente identificables por la vida útil del muón a través del proceso de desintegración beta inverso. La sustancia no necesita ser radiactiva, como en el PET normal y configuraciones similares. Esta es la principal ventaja de todo.

Luego, golpea al paciente con un haz de muones negativos muy suaves, que probablemente se detengan en el área de interés. Estos muones causarán muy poco daño al tejido, y no necesitas muchos de ellos: tienes un trazador muy efectivo de los núcleos que hacen la captura de K reconstruyendo el neutrón emitido y los rayos gamma.

Esos tipos también liberarán algo de energía en el tejido circundante antes de ser detectados por el equipo que rodea al paciente, pero esta es una dosis menor si se compara con las dosis administradas por otros medios.

escaner de tumor con muones

Arriba, los rectángulos azules muestran los detectores de seguimiento en la sección; detectan la trayectoria del muón entrante y permiten, junto con la posición registrada de las señales de desintegración, la ubicación precisa de la captura de K y el punto de desintegración. Los rectángulos naranjas muestran detectores de centelleo útiles para registrar el tiempo, la energía y la posición de los fotones rápidos emitidos por el muón mientras gira en espiral hacia el núcleo y el neutrón emitido por el proceso de desintegración beta inverso.

En resumen: obtenga un haz de muones suave; inyecte al paciente con una sustancia diana no radiactiva; rodee al paciente con detectores de neutrones y gamma; dispare el rayo al área interesada, con la intensidad suficiente para obtener algunas decenas de miles de capturas de K por centímetro cuadrado; detecte la distribución temporal de los neutrones emitidos, con respecto a las señales de activación de los rayos gamma; y reconstruya la imagen 3D. Simple, ¿no es así?

Sí, parece bastante sencillo. Pero los haces de muones no se pueden producir en su garaje, de hecho. Los muones se producen como productos secundarios de las interacciones de un haz de protones con un objetivo fijo.

Necesita un sincrotrón o algo de linac para los protones, luego un túnel de desintegración donde se permite que los piones y los kaones se desintegran en muones, y un conjunto de imanes para colimar los muones en un haz viable de la energía correcta. Y necesita controlar las emisiones, las intensidades, la frecuencia de repetición, el blindaje de los fondos y todo tipo de cosas.

En el CERN esto se puede hacer y en el Fermilab también; pero no hay muchas instalaciones que puedan montar algo así en cuestión de un fin de semana. Sin embargo, si esta tecnología fuera realmente prometedora (de hecho dudo que se pueda hacer en la práctica, tal vez porque subestimé en gran medida la dosis que recibiría el paciente para extraer una imagen 3D significativa, o tal vez porque no hay sustancias adecuadas que puedan inyectarse y proporcionar el objetivo necesario y distinguible), es probable que algún día se haga.

Y ahora que esta pieza está publicada, no se puede patentar, por lo que este texto es mi regalo para la humanidad, como la vacuna contra la polio de Jonas Salk 😉

Tommaso Dorigo (ver su  página web personal aquí ) es un físico de partículas experimental quien trabaja para el INFN  y la Universidad de Padova, y colabora con el  experimento CMS  en el CERN LHC. Coordina  MODE Collaboration , un grupo de físicos e informáticos de ocho instituciones en Europa y los EE. UU. Que tienen como objetivo permitir la optimización de extremo a extremo del diseño de detectores con programación diferenciable. Dorigo es editor de las revistas  Reviews in Physics  and  Physics Open . En 2016, Dorigo publicó el libro » ¡Anomalía! La física del colisionador y la búsqueda de nuevos fenómenos en el Fermilab «, una visión privilegiada de la sociología de los experimentos de física de partículas grandes. Puede  obtener una copia del libro en Amazon, o comuníquese con él para obtener una copia en pdf gratis si tiene recursos económicos limitados.