Aceleración de partículas cargadas por láser: presente, futuro y aplicaciones (2 de 2)

Como decíamos en el post anterior, el incesante desarrollo de la tecnología láser con pulsos cada vez más cortos y más energéticos, está permitiendo la exploración de la naturaleza en regímenes ni siquiera soñados hace un par de décadas. Hoy por hoy somos capaces de generar de forma controlada pulsos láser con duraciones temporales del mismo orden que el movimiento de los átomos en las moléculas, es decir, decenas de femtosegundos, y campos eléctricos, o equivalentemente intensidades, muy superiores al campo generado por los núcleos atómicos. De acuerdo a esto, es fácil entender que esta tecnología es una herramienta de indudable valor no solo para ampliar nuestro conocimiento de la naturaleza, sino también para la búsqueda de nuevas y revolucionarias aplicaciones. Dentro de estas aplicaciones, como decíamos anteriormente, centrémonos en la aceleración de partículas cargadas.

Bueno, muy bien, y esto… ¿para qué sirve?

La generación de haces controlados de partículas cargadas tiene muchas y variadas aplicaciones. Por ejemplo hay mucho interés en Ciencia de Materiales porque estos haces pueden servir para testear materiales que se ven sometidos a un bombardeo continuo de partículas muy energéticas como por ejemplo, los materiales de la vasija del próximo reactor de fusión ITER o detectores en el LHC.

En aplicaciones relacionadas con la radioterapia existe un interés reciente por este tipo de tecnología por los siguientes motivos:

a.- Hoy en día para irradiar un tumor el paciente tiene que permanecer inmóvil durante periodos relativamente largos de tiempo (del orden de minutos) para así evitar la irradiación de tejido sano. Esto es debido a que la irradiación se produce mediante un flujo continuo o mediante pulsos muy largos del orden de microsegundos pero siendo en ambos casos poco “intensa”. Con el uso de láseres ultraintensos el paradigma cambia completamente. En principio sería posible depositar toda la dosis requerida en el paciente en uno o pocos disparos, reduciendo por tanto al mínimo los tiempos de exposición e incrementando la comodidad del paciente.

b.- Como mencionábamos antes, al estar basadas las técnicas habituales de irradiación en flujos continuos, se superpone el daño que se infringe a las células tumorales con los mecanismos de reparación de estas. Esto supone la pérdida de una información muy valiosa para poder entender de una forma mucho más precisa la dinámica de los procesos celulares. Si fuéramos capaces de depositar la dosis requerida en tiempos menores que los tiempos de reparación, que podemos estimar en el microsegundo (1 s=10-6 s), podríamos desarrollar terapias específicas para cada tumor incrementando por tanto la eficiencia del tratamiento.

Este tema es muy interesante y hay muchos esfuerzos de equipos altamente interdisciplinares dedicados a ello. Hoy por hoy nadie tiene claro si tiene alguna ventaja irradiar un tumor mediante pulsos ultracortos frente a la deposición de la misma dosis de una forma continua. Yo no soy un experto en estos temas, pero mi experiencia me dice que igual no puede ser. Tienen que existir diferencias, aunque, que estas sean ventajosas, ya es otra cuestión. Y digo esto porque, para escalas temporales del orden de los femtosegundos, no hay una disipación efectiva de calor. El pulso es tan rápido que la materia no tiene tiempo durante la duración del pulso a disipar en forma de calor la energía depositada. Por tanto la interacción se puede considerar exclusivamente local, no dañando el tejido adyacente. Para una disipación de calor es necesario activar la red del material y esto sucede en decenas-cientos de picosegundos (1 ps=10-12 s). Evidentemente para irradiaciones continuas la disipación de calor es muy importante, siendo esta disipación uno de los mecanismos principales de daño a las células tumorales.

c.- Nuevas técnicas de radioterapia con protones: Protonterapia. Por la forma específica que tienen los protones de interaccionar con la materia, la mayoría de la dosis se deposita cuando estos son frenados definitivamente. Esto es lo que se conoce como pico de Bragg.

Bragg-peak1

 

Esto es tremendamente importante porque permite controlar de forma efectiva la irradiación de un tejido sin dañar ni el canal de entrada ni el de salida de la radiación. Adicionalmente la penetración del haz de protones se puede controlar ajustando su energía. Como podemos ver en la gráfica tanto electrones como fotones depositan su energía de una forma más o menos continua a lo largo de su trayecto hacia el tejido produciendo por tanto un daño indeseado en los canales de entrada y salida. Esta capacidad de controlar la capacidad de penetración de la radiación resulta muy relevante para por ejemplo tumores oculares ya que detrás del ojo está el cerebro, y tumores en la piel donde solo se requiere una irradiación superficial.

d.- Precio. Hoy en día ya están establecidos unos 43 centros de protonterapia en el mundo y a lo largo del 2013 se trataron unos 100.000 pacientes con está técnica. Ahora bien, la protonterapia de estos centros está basada en aceleradores de partículas, ciclotrones, y por tanto en flujos continuos de protones con la consiguiente pérdida de resolución temporal que comentábamos anteriormente.

conventional protontherapy

También los ciclotrones son instalaciones caras y costosas de mantener. De forma aproximada que una instalación de protonterapia mediante ciclotrones ronda los varios cientos de millones de euros, lo cual hoy en día no es competitivo frente a las “técnicas clásicas” de radioterapia.

La aceleración de protones por láser es bastante más barata, al menos un orden de magnitud, más aún si tenemos en cuenta el incesante desarrollo de la tecnología láser que hará cada vez más accesible, y con mejores prestaciones, los equipos de multi TW. Por ejemplo, el coste del láser VEGA que se instalará en el CLPU es de unos 10 millones de euros, lo que resulta bastante inferior al coste de un ciclotrón.

¿Dónde estamos hoy en día?

Este punto es especialmente importante ya que no se pueden levantar falsas expectativas más aún en un tema tan sensible como este. Hoy por hoy, aún estamos lejos de conseguir todo lo que hemos descrito en este post.
Es cierto que se ha demostrado la aceleración de protones por láser, pero los mecanismos de esta aceleración no están del todo claros y no se consiguen aún los flujos que serían deseables para dar el salto a las aplicaciones biomédicas. Además el espectro de protones que se consigue es bastante amplio en energía, lo que tiene que ser corregido ya que sería necesario un haz lo más mono-energético posible.
También y aunque pueda parecer en principio sencillo de resolver otro de los grandes problemas para el salto a aplicaciones es el target. Al utilizarse targets sólidos que se volatilizan en cada disparo, es necesaria una “recarga” del target lo más precisa posible (posicionamiento, planitud, alineamiento,…) y al menos a la misma velocidad que la tasa de repetición del láser, y además todo en condiciones de alto vacío (unos 10-6 mbar, la presión atmosférica es de unos 1000 mbar). La línea PW de VEGA dispara 1 vez por segundo, aunque es de esperar que en la nueva generación de láseres esta tasa de repetición sea superada. Además al volatilizarse el target, se produce debris (pequeños trozos de target, moléculas y átomos a muy alta energía,…) que acaban dañando la óptica del láser. Son como pequeños proyectiles que se acaban incrustando en todo lo que encuentran. A día de hoy se considera que los targets sólidos representan un cuello de botella que hay que superar de una u otra forma. Muchos esfuerzos se están dedicando a la implementación de targets gaseosos, líquidos, y alguna que otra idea bastante más transgresora como es el uso de espumas, pero aún hace falta mucho trabajo.

Mi opinión personal es que trabajando duro, muy duro, a medio plazo, pongamos unos 10 años siendo optimistas, podremos estar en la rampa de salida para las aplicaciones comerciales de la aceleración de partículas cargadas por láser en el mundo de la radioterapia.

10 Respuestas a “Aceleración de partículas cargadas por láser: presente, futuro y aplicaciones (2 de 2)

  1. Muy interesante esta linea de investigación. Espero q nos mantengas al corriente y en un próximo post anuncies nuevos avances. También quiero decir q es una pena q no se invierta en este país más € en i+d. Piensas q se puede mantener este proyecto durante esos 10 años? Me jodería ver un cartel d “se traspasa” en el CLPU.

  2. Enhorabuena de nuevo Álvaro. Aunque lo comentas en el post creo que debe quedar muy claro que las instalaciones de protones actualmente en activo y que tanto interés han generado en la prensa recientemente, son instalaciones basadas en sistemas de aceleración “tradicionales” principalmente ciclotrones. También que la importancia de la disipación en forma de calor (y su efecto en la localización espacial de la deposición de dosis) es un aspecto particular de esta técnica, en la cual el daño tisular su alcanza por concentración del pulso. No es el caso para la irradiación con radiaciones ionizantes de uso normal en medicina, para las cuales la concentración temporal puede tener implicaciones bioquímicas (por interacción con los mecanismos de reparación del daño celular) pero no un efecto físico en la modificación de la forma en que la absorción de energía tiene lugar y como esta, y el daño que genera, se distribuye en el tejido.

  3. De acuerdo con casi todo pero hay un par de puntos que no me convencen mucho (o a lo mejor es que no los he entendido bien):

    En el apartado b) se dice que los tiempos de raparación celular son del orden del microsegundo, pero eso contrasta con los valores experimentales que hay en la literatura de radiobiología, que dan tiempos medios de reparación celular del orden de minutos o incluso de algunas horas. No sé si estaremos hablando de lo mismo. Claro está, hasta ahora los experimentos no se han hecho con este tipo de radiación, pero se supone que los tiempos de reparación dependerán de los mecanismos de la célula más que de la radiación que se utilice.

    También se argumenta que los pulsos ultracortos deben tener un efecto biológico distinto porque “la materia no tiene tiempo durante la duración del pulso a disipar en forma de calor la energía depositada” y que “para irradiaciones continuas la disipación de calor es muy importante, siendo esta disipación uno de los mecanismos principales de daño a las células tumorales”. Rectificaré con mucho gusto si estoy equivocado pero me voy a permitir discrepar con esto último. El orden de magnitud de la dosis que se administra en una sesión de radioterapia es como mucho de 10 Gy (habitualmente menos). Es decir, 10 J/kg. En términos de calor eso no es nada: si calculamos el incremento de temperatura que produciría esa dosis en agua sería algo así como 0,0024 ºC. Supongo que en los experimentos de interacción del láser con materiales la absorción de energía está mucho más concentrada espacialmente y por tanto son importantes los efectos de disipación de calor por la red cristalina, etc. Pero en radioterapia no es el caso.

    Que no digo que los pulsos ultracortos no puedan tener efectos biológicos distintos, pero los motivos que se han dado no parecen muy convincentes.

    Un saludo

  4. Te contesto gustosamente:

    1) Tienes razón con el tema de los mecanismos de reparación celular. Los que no trabajamos en temas biológicos hacemos un abuso del lenguaje en ese aspecto. Es verdad que los mecanismos de reparación en términos macroscópicos van en torno de minutos, pero en términos micróscopicos, es decir cuanto tiempo tarda una molécula en desembarazarse totalmente de la energía que se le ha dado, si son de microsegundos. Repito que es un abuso del lenguaje por nuestra parte, y más que de daño celular tendríamos que hablar de daño no lineal.

    2) Tu segundo comentario de nuevo contrasta una visión macróscopica con una microscópica como la nuestra. De forma global la disipación de calor es mínima, pero de forma local sí es importante. Son importantes estas diferencias? Yo apostaría que sí, aunque como comentaba en el post es un tema de intenso debate.

    Un saludo!

  5. La respuesta de reparación en efecto puede prolongarse a minutos y horas. Pero existen mecanismos de reparación que se activan inmediatamente. Tenemos una visión de cámara lenta de la dinámica celular que no es realista. Parte de la respuesta celular bioquímica (no solo físico química) se inicia por debajo del segundo. Actualmente hay una importante actividad investigadora en este sentido, pues al parecer hemos subvalorado la relevancia, rapidez y eficacia de los mecanismos reparadores.

    En cuanto a la cuestión del calor, como decía en mi anterior respuesta, hay que tener claro que se trata de un tipo de radiación en la que la ionización y los eventos celulares, se inician no en respuesta a eventos individuales y aislados de interacción, si no a la interacción sinérgica de una fluencia muy elevada de fotones que, por si solos, no lograrían dañar. En tal situación es normal pensar que la disipación en forma de calor de ese “estallido” de energía tendrá un efecto importante en el efecto final.

  6. Manuel, pero me da la impresión de que en este último comentario estás pensando en la interacción del pulso láser con la materia. Yo estaba hablando (supuse que los demás también) de la interacción de los pulsos de partículas cargadas con el tejido vivo, porque el post parecía centrarse en la utilización de los haces de protones producidos mediante láser, no hablaba de usar el láser en sí mismo sobre las células, que sería otro tema.

    Yo entiendo que cuando nos referimos a calor, sea desde el punto de vista macroscópico o microscópico, nos referimos a transferencia de energía a través de las vibraciones/traslaciones de las moléculas (o de átomos en una red cristalina, que no es el caso), pero nunca había oído que a los niveles de dosis que se utilizan en medicina estos mecanismos estuvieran implicados en los efectos biológicos de la radiación ¿producen ionizaciones, disociaciones o algo así?. ¿Influyen en la radioquímica celular?.

    A lo mejor es simplemente que estamos hablando de cosas distintas o usando distinto lenguaje.

  7. Tienes razón que aquí hablamos de la interacción de haces de partículas cargadas con la materia, pero los conceptos que manejaba Manuel son igualmente válidos. Al concentrar toda la dosis en pocos femtosegundos, la intensidad pico es extraordinariamente alta y los efectos no lineales, que escalan con la intensidad, son dominantes. En este régimen las moléculas no solo son ionizadas, sino que pueden perder más de un electrón, se disocian, isomerizan, etc más aún cuando son moléculas relativamente grandes, como son aquellas de interés biológico. De hecho si queremos una descripción realmente realista, tendremos que estudiar el plasma que estamos generando y su dinámica posterior.

    Por hacer una analogía, 800 nm es considerada por la legislación como radiación no ionizante. Esto es cierto, siempre y cuando la intensidad sea moderada. Si aumentamos la intensidad, efectos colectivos como la ionización multifotónica, juegan un papel relevante, y de hecho es posible ionizar átomos y moléculas mediante la absorción de 5,6 o los que sean necesarios fotones de IR.

    En mi opinión estamos ante un campo mi nuevo, en el que tenemos que desterrar o adaptar conceptos tradicionales. Para ello una colaboración muy intensa entre muy diversas áreas es estrictamente necesaria. Un paso para que esa colaboración sea fructífera es lo que estamos haciendo hoy aquí: definir un lenguaje común, con ideas y conceptos que todos entendamos de la misma forma.

    Un saludo!

    Álvaro

  8. Alvaro, si todo eso es muy interesante, en serio, pero de nuevo creo que estás hablando de interacción de fotones con la materia, no partículas cargadas (cuando hablas de efectos no lineales para intensidades altas, ionización multifotónica, etc, entiendo que te refieres a la interacción del campo EM con la materia). Creo que debemos distinguir claramente si hablamos de interacción láser-materia o protones-materia (aunque los protones se hayan generado con láser).

    Un saludo.

  9. Claro! una cosa es la interacción laser-materia (fotones-materia) y otra protones-materia. Ambas son muy distintas. Ahora bien las analogías entre una y otra son claras: efectos no lineales, ionizaciones totales o parciales, excitación de modos vibracionales se dan con ambas excitaciones. Y más aún los efectos colectivos por tener fuentes de una intensidad pico enorme se dan con protones y con fotones. Son estos fenómenos altamente no lineales los que son intersantes para esta forma de generar haces pulsados de partículas cargadas.

    Saludos!

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