Hadronterapia: una nueva frontera contra el cáncer

Benito Gimeno Martínez, Catedrático de Electromagnetismo del Departamento de Física Aplicada y Electromagnetismo de la Universitat de València, y miembro del Instituto de Física Corpuscular IFIC (centro mixto CSIC-Universitat de València).

Un poco de historia

El cáncer es y seguirá siendo uno de los mayores problemas de salud tanto en la actualidad como en los próximos años debido al estilo de vida que llevamos y al envejecimiento de la población. Las técnicas desarrolladas para su tratamiento son fundamentalmente cuatro: cirugía, quimioterapia, inmunología y radioterapia, además de otras alternativas como la terapia hormonal y la terapia génica. En este trabajo nos vamos a centrar en la radioterapia, que nació a finales del siglo XIX después del descubrimiento de los rayos X y de la radiactividad natural. Fue el francés Victor Despeignes el primer científico que trató un cáncer de estómago con rayos X en 1896. Después la radioterapia ha seguido evolucionando, y podemos considerar que la radioterapia moderna nació a finales de los años 50 del siglo pasado conforme los avances tecnológicos permitieron mejorar la precisión de los equipos con el uso de ordenadores, técnicas de imagen médica y nuevos aceleradores de partículas.

La radioterapia convencional es una técnica no invasiva que se basa principalmente en el uso de fotones de rayos X generados por un acelerador lineal. Los aceleradores lineales utilizan tecnología de microondas (similar a la que se usa en los hornos de microondas caseros y en los sistemas radar) para acelerar electrones, y luego permite que estos electrones choquen contra un blanco de metal pesado para producir rayos X de alta energía; los electrones generados también se pueden usar directamente para tratar cánceres dermatológicos. Los rayos X de alta energía son modulados a medida que abandonan la máquina para formar un haz que se asemeja a la forma del tumor del paciente de tal forma que se puede irradiar de la forma más eficiente posible.

En el año 1946 el físico estadounidense Robert R. Wilson, que había trabajado en el proyecto Manhattan, fue el primero en proponer el uso de protones para tratar el cáncer. En un artículo publicado en la revista Radiology, Wilson argumentó que los protones podrían depositar su energía de forma más precisa en los tejidos, gracias a un fenómeno físico llamado el pico de Bragg, lo que permitiría atacar tumores con menos daño al tejido sano (después hablaremos con detalle del pico de Bragg). Este fue el nacimiento de la protonterapia, pero la tecnología de los años cuarenta no permitía el desarrollo de haces de protones suficientemente precisos para tratar a un paciente. Poco después, en el año 1954, se realizó el primer tratamiento con protones en humanos en el Lawrence Berkeley Radiation Laboratory (California, EEUU), utilizando aceleradores de uso científico. A partir de los años cincuenta del pasado siglo se empezó a aplicar la protonterapia en el tratamiento del cáncer de forma restringida y empleando instalaciones científicas. La primera instalación hospitalaria para tratamiento de cáncer con protones se inauguró en el Loma Linda University Medical Center (California, EEUU) en el año 1990. A partir de este momento se han desarrollado más instalaciones de protonterapia en todo el mundo destacando países como Japón, China, Francia, Suiza y EEUU. Recientemente se están desarrollando e instalando 11 unidades de protonterapia en el sistema público de salud del estado español (10 de los cuales han sido donados por la Fundación Amancio Ortega), que junto con las dos instalaciones privadas que actualmente ya están trabajando en Madrid, van a cubrir las necesidades de este tipo de radioterapia en España en la actualidad y en los años venideros.

Para la generación de haces de protones (que son 1.836 veces más pesados que los electrones), se emplean normalmente aceleradores circulares tipo ciclotrón o sincrotrón. El funcionamiento de estos equipos se basa en anillos resonantes de geometría circular donde los protones giran por la acción de campos magnéticos estáticos muy intensos: en el caso de los ciclotrones la aceleración se realiza mediante un campo eléctrico, mientras que en los sincrotrones la aceleración se consigue con cavidades de microondas que trabajan en régimen pulsado. En consecuencia, los sincrotrones son mucho más complejos que los ciclotrones. De hecho, los primeros tratamientos de cáncer con protones se basaron en ciclotrones. Lo que es común en ambos sistemas es que las partículas se generan a una energía más o menos constante por ser sistemas resonantes.

Hadronterapia

La siguiente fase de la radioterapia moderna es la hadronterapia, que consiste en usar haces de iones pesados (típicamente iones de carbono o de helio) para tratar el cáncer. ¿De qué están formados estos iones pesados?: los iones de carbono C⁶⁺ están formados por 6 protones y 6 neutrones, y los iones de helio He²⁺ contienen 2 protones y 2 neutrones (en ningún caso hay electrones). Si ahora nos vamos a un curso básico de Física Nuclear observaremos que tanto los protones como los neutrones pertenecen a la familia de los hadrones (bariones, realmente). Entonces, ¿qué diferencia existe entre la protonterapia y la hadronterapia, si tanto los protones como los neutrones son partículas hadrónicas?: me gustaría comentar en este punto que puede existir cierta confusión, y aclararla. Desde un punto de vista formal, la protonterapia estaría incluida dentro de la hadronterapia, pero desde un punto de vista práctico emplearemos el término protonterapia para tratamientos exclusivamente con protones, y reservaremos la hadronterapia para tratamientos con núcleos atómicos formados por protones y neutrones.

Una vez hemos revisado este detalle de nomenclatura, podríamos preguntarnos cuales son las diferencias entre la hadronterapia y la protonterapia. Ambas técnicas se basan en el pico de Bragg, representado en la Figura 1. El pico de Bragg describe cómo las partículas cargadas pesadas (como protones o iones de carbono y helio) depositan la mayor parte de su energía en un punto específico dentro del tejido humano, justo antes de detenerse. Cuando una partícula cargada atraviesa materia (como el cuerpo humano), pierde energía gradualmente por ionización. Pero justo antes de detenerse la tasa de pérdida de energía es muy grande, produciendo un pico de energía depositada muy estrecho y localizado: esto es el pico de Bragg. De esta forma, si por ejemplo tenemos un tumor localizado a 10 cm de la superficie del cuerpo humano, podemos conseguir que el pico de Bragg deposite casi toda la energía cinética que lleva en la zona del tumor, para destruirlo al máximo. De esta forma se evita que el haz dañe los tejidos que encuentra en la parte anterior y sobre todo posterior al tumor. Para ello se debe controlar en el correspondiente acelerador tanto la energía (velocidad) como la intensidad del haz (cantidad de partículas del haz) de forma muy eficiente. Así pues, ambas técnicas protonterapia y hadronterapia son muy precisas para curar el cáncer. Esto se puede visualizar observando la Figura 1, donde comparamos la energía depositada por un haz de electrones, fotones, protones e iones: los electrones penetran poco, mientras que los fotones de rayos X llegan a la zona del tumor pero también irradian la zona anterior al mismo; por el contrario, el fenómeno del pico de Bragg permite focalizar la energía del haz en la zona tumoral con mucha precisión.

Otro aspecto a tener en cuenta en el campo de los tratamientos con hadrones es que el pico de Bragg es más estrecho con hadrones que solo con protones, lo que es una ventaja de la hadronterapia frente a la protonterapia. Además, los hadrones tienen una capacidad de dañar células malignas entre 3 y 5 veces superior a las células irradiadas solo por protones, dependiendo del tipo de cáncer que se trate. Esto hace que el desarrollo de la hadronterapia en los próximos años vaya a ser muy importante en las nuevas técnicas del tratamiento del cáncer, ya no solo pensando en la propia curación del cáncer sino además en su baja toxicidad y disminución de efectos secundarios que redundan en una mejor calidad de la fase post-cáncer.

De cualquier forma, es importante destacar que los oncólogos radioterápicos piensan que en el futuro se combinarán todas las técnicas de radiación comentadas en este trabajo, es decir, se seguirán empleando también fotones de rayos X y electrones dependiendo de la disponibilidad de los equipos basados en protones e iones. Actualmente en Europa hay varios centros importantes de tratamiento con iones pesados, como el que está en el Hospital de la Universidad de Heidelberg, Alemania (ver Figura 2); es importante remarcar que todos están asociados en la red Red Europea ENLIGHT, European Network for Light Ion Hadron Therapy (https://enlight.web.cern.ch/).

Conclusiones

Después de hacer una breve revisión histórica de las diferentes técnicas de la radioterapia, como son los tratamientos con fotones de rayos X, electrones y protones, se ha introducido la hadronterapia como una nueva y moderna terapia alternativa a la protonterapia. La hadronterapia permitirá tratar determinado tipo de tumores con más precisión y con mayor eficiencia radiobiológica para destruir las células cancerígenas que las técnicas anteriores. Actualmente se va a seguir investigando en esta nueva forma de tratar el cáncer.