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.

 
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.

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.