Visitas - Física médica

Un paseo entre tumbas (El «Stadtfriedhof» de Gotinga)

Bonifacio Tobarra — Thu, 28 Nov 2024 12:30:41 +0000

La ciudad alemana de Gotinga es bien conocida por haber sido uno de los principales focos del nacimiento de la nueva física cuántica a través del gran número de eminentes físicos y matemáticos que eran profesores y alumnos de su universidad en los años 20-30 del siglo pasado. Una visita al cercano cementerio municipal (Stadtfriedhof) en las afueras de la ciudad, nos hará recordar con emoción, al leer los nombres de las lápidas y estelas de sus tumbas, que aquí están enterrados los restos de las personas que construyeron una parte muy importante de la ciencia del siglo XX.

La Universidad de Gotinga (Georg-August-UniversitätGöttingen, o Georgia Augusta) fue fundada en el año 1734 por Jorge II, príncipe elector de Hannover y futuro rey de Gran Bretaña.

Escudo y logo actual de la Universidad de Gotinga.

La universidad destacó rápidamente en ciencias, y por el prestigio de sus profesores. Antes de un siglo alcanzará un puesto destacado en la ciencia y la cultura de Alemania, siendo un foco de atracción para profesores y alumnos (Otto von Bismarck estudió aquí).

Una figura principal de esa primera época fue Gauss, que nacido en 1777 en la vecina Braunswick, fue pronto a estudiar a Gotinga donde desarrollaría toda su carrera como astrónomo, matemático, físico y geodésico. Su prestigio e influencia fue tan grande que en vida se le llamó “Princeps Mathematicorum”.

Tumba de Carl Friedrich Gauss (1777-1855), en el parque de Cheltenham Park que se encuentra cerca del Observatorio Astronómico del que fue su director desde 1809.

Entre sus muchos discípulos destaca Bernhard Riemann (1826-1866), a quien dirigió su tesis en 1851, donde anticipó la hipótesis de Riemann, que, por su relación con la distribución de los números primos en el conjunto de los naturales, es uno de los problemas abiertos más importantes en la matemática contemporánea. Fue profesor y uno de los matemáticos más famosos de Gotinga. Su otro gran colaborador en electricidad y magnetismo fué Wilhelm Eduard Weber.

El autor junto a la tumba de Wilhelm Weber (1804-1891) en el cementerio de Stadtfriedhof.

Weber trabajó intensamente con Gauss en electricidad y magnetismo, hasta su expulsión de la universidad en la purga antiliberal de 1837,que afectó a parte de los profesores (“los siete de Gotinga”en alemán «Göttingensieben«), que se opusieron a las reaccionarias medidas del nuevo rey de Hannover. Weber volvió a Gotinga en 1849 y reanudó sus trabajos con Gauss sobre el atlas de geomagnetismo y medidas electromagnéticas, completando un sistema de medidas absolutas para corrientes eléctricas, y trabajos sobre electrodinámica.

En otro jardín de la ciudad hay un bonito monumento de Gauss y Weber que pone de manifiesto su amistad y trabajo conjunto pese a su diferencia de edad.

Merecidamente sus apellidos dan nombre a dos unidades fundamentales del electromagnetismo, el flujo magnético y la inducción magnética, pero curiosamente la diferente normalización los ha separado, así el weber (Wb) es la unidad de la inducción magnética en el Sistema Internacional, y el gauss (G) es la unidad del campo magnético en el sistema cegesimal.

Tumba del matemático David Hilbert (1867-1943). Es junto con Gauss y Riemman el tercer gran nombre de la matemática de Gotinga. Al pie aparece como epitafio su famosa frase “Wirmüssenwissen, Wirwerdenwissen” (si debemos saber, sabremos).

David Hilbert y sus alumnos, entre otros Weyl que sería su sucesor, y Born que fue su ayudante, proporcionaron partes significativas de la infraestructura matemática necesaria para la mecánica cuántica y la relatividad general. Fue uno de los fundadores de la teoría de la demostración, la lógica matemática y la distinción entre matemática y metamatemática. Adoptó y defendió vivamente la teoría de conjuntos y los números transfinitos de Cantor. Un ejemplo famoso de su liderazgo mundial en la matemática es su presentación en 1900 de un conjunto de 23 problemas abiertos que incidió en el curso de gran parte de la investigación matemática del siglo XX.

Tumba de Karl Schwarzschild (1873-1916), que fue director del Instituto Astronómico de Gotinga (1901-1909), y pudo trabajar con los matemáticos David Hilbert, Felix Klein y Hermann Minkowski.

Las contribuciones de Karl Schwarzschild a la astrofísica de principios del siglo XX aparecen en la relatividad general cuando en 1916 encontró una solución exacta a las ecuaciones de campo de Einstein. En su honor al radio de una estrella de neutrones que colapsa para convertirse en agujero negro se le denomina radio de Schwarzschild. Murió a los 42 años víctima de la Primera Guerra Mundial.

Tumba de Max Born y de su esposa, donde como epitafio está grabada la ecuación del principio cuántico de incertidumbre.

Max Born (Breslau 1882- Gotinga 1970), como señala J.M. Sánchez-Ron, fue un personaje clave en la historia de la mecánica cuántica, teniendo como ayudante al joven Heisenberg. Matemático y físico, obtuvo el Premio Nobel de Física en 1954 por sus trabajos en mecánica cuántica y compartió este galardón con el también físico alemán Walter Bothe. Posiblemente, la contribución más conocida a la física cuántica sea su interpretación probabilística de la función de onda de Schrödinger.

Tumba de Otto Hann y otros miembros de su familia. Al pie como epitafio aparece grabada la reacción de fisión del Uranio con neutrones, descubierta por Hann junto con Lise Meitnery Fritz Strassmannen 1938.

Otto Hahn (Fráncfort del Meno, Reino de Prusia; 1879- Gotinga 1968). Este químico alemán ganó el Premio Nobel de Química en 1944 por el descubrimiento de la fisión nuclear del uranio y del torio (1938). Hahn puede considerarse el padre de la energía nuclear.

La tumba de Max von Laue (1879 – 1960) y su mujer.

Max von Laue, (Pfaffendorf, 1879 – Berlín, 1960), físico alemán, fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1914 por sus trabajos en cristalografía de rayos X.

Estudió en las universidades de Estrasburgo, Gotinga y Munich, siendo discípulo de Max Planck. Posteriormente, a partir de 1912 fue profesor de física en la Universidad de Zúrich y entre 1919 y 1943 director de física teórica en la Universidad de Berlín. Tras su jubilación en 1943 recibió el nombramiento de profesor honorario en la Universidad de Gotinga. A partir de 1951 von Laue fue director de Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck en Berlín.

Recibió el premio Nobel en 1914 por sus trabajos sobre la difracción de RX por las redes cristalinas, que están en el núcleo de la física cuántica. A pie de su tumba se colocó una placa en el centenario de Werner Heisenberg como homenaje a la admiración que siempre tuvo Heisenberg por su profesor, (la tumba de Heisenberg está en Munich). En 1924 Werner Heisenberg vino como asistente a la universidad, y junto con Max Born y Pascual Jordan desarrolló la mecánica cuántica.

Tumba de Walther Nerst y otros familiares

Walther Nernst, (Briesen, Prusia, 1864 – Ober-Zibelle, 1941), físico y químico alemán, premio Nobel de Química en 1920 por sus teorías sobre el cálculo de la afinidad química como parte de la tercera ley de la termodinámica. Sus trabajos ayudaron a establecer la moderna físico-química. Trabajó en los campos de la electroquímica, termodinámica, química del estado sólido y fotoquímica. Sus descubrimientos incluyen la ecuación de Nernst.

Desarrolló el llamado «teorema del calor», según el cual la entropía de una materia tiende a anularse cuando su temperatura se aproxima al cero absoluto, y que constituye la tercera ley de la termodinámica. Nerst organizó los primeros Congresos Solvay gracias a su amistad con el patrocinador, el fabricante belga George Solvay, y el enorme prestigio que tenía en el mundo científico de la época consiguió que fuesen un gran éxito.

Max Planck, (Kiel 1858 – Gotinga 1947), físico y matemático alemán considerado como el fundador de la teoría cuántica y galardonado con el Premio Nobel de Física en 1918. Después de la guerra la academia prusiana de las ciencias pasó a llamarse Instituto Max Planck en su honor. La Sociedad Max Planck fue fundada en Gotinga después de la Segunda Guerra Mundial en 1946 en el sector británico de Berlín y en 1948 en la zona de ocupación norteamericana y francesa como la organización sucesora de la prusiana Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft, que se estableció en 1911 como una organización de investigación no gubernamental y que fue extinguida como tal.

Tumba de Max Planck y otros miembros de su familia, con mención en las lápidas del suelo de sus dos hijos muertos en la I y II guerra mundial y cuya pérdida tanto le influyó. Al pie de la estela aparece grabado como epitafio el valor de la constante h que lleva su nombre

Otras tumbas de profesores de Gotinga aquí enterrados que fueron premiados con el Nobel son las de:

Otto Wallah (1847 Königsberg – Gotinga 1931), galardonado en 1910 con el Premio Nobel de Química por su contribución en el desarrollo de la química orgánica e industrial.
Adolf Windaus (Berlín 1876- Gotinga 1959), premio Nobel de química en 1928 por sus trabajos sobre el colesterol y los esteroles y su vínculo con los ácidos biliares.
Richard Zsigmondy (Viena 1865 – Gotinga 1929), recibió el Premio Nobel de Química en 1925 por su trabajo sobre los coloides.

A principios del siglo XX, la Universidad experimentó una segunda fase de gloria especial. Göttingen era un centro de ciencia y erudición excepcionales. En 1907 se fundó la primera institución nacional de investigación aeronáutica del mundo. De ahí surgieron el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y el Instituto Max Planck de Dinámica y Autorganización, instituciones donde se han generado conocimientos clave en el campo de la aviación. Numerosos investigadores dieron conferencias o estudiaron en Gotinga durante este período, muchos de los cuales fueron galardonados con el Premio Nobel por su trabajo realizado aquí. El brillante desarrollo de la universidad de Gotinga se ve interrumpido bruscamente a partir de 1933 por la aplicación de las leyes raciales que impone el partido nazi en el poder.

Estos acontecimientos se conocieron más tarde como la gran purga de 1933. Profesores como Max Born, Victor Goldschmidt, James Franck, Eugene Wigner, Leó Szilárd, Edward Teller y John von Neumann, entre otros, fueron expulsados o huyeron. La línea de grandeza en las ciencias naturales, que había continuado desde los tiempos de Gauss y Bernhard Riemann, fue interrumpida. El matemático David Hilbert quedó en la universidad; sin embargo, en el momento de su muerte en 1943, los nazis prácticamente habían roto el alma de la universidad, expulsando muchos de la primera fila, que eran judíos o casados con judíos.

Entre los años 1933 a 1945, la tradición de libertad de pensamiento de la Universidad de Gotinga se rompió, con consecuencias devastadoras: los académicos de Gotinga resistieron poco al nacionalsocialismo, su ideología inhumana y su fanatismo racial. Como resultado, la conformidad política se impuso rápidamente en la Universidad, numerosos profesores se vieron obligados a jubilarse, y los estudiantes dejaron de matricularse en gran número.

Después de la Segunda Guerra Mundial, comenzó un proceso para restaurar Göttinga como un centro de ciencia y erudición. Así se fundó la Sociedad Max Planck, formada en 1948 con aportes decisivos de Max Planck y Otto Hahn, como un organismo autónomo consagrado a la investigación básica. Hoy, la ciudad alberga cinco Institutos Max Planck, la concentración más densa en cualquier parte de Alemania; en 1977 se enriqueció aún más con la incorporación del German Primate Centre, miembro de la Asociación de Instituciones de Investigación de Leibniz.

El manifiesto de Gotinga del 12 abril 1957

Fue firmado por 18 científicos nucleares alemanes, además de Weizsäcker, entre ellos estaban los antiguos o entonces residentes de Göttingen Max Born, Otto Hahn, Werner Heisenberg, Max von Laue y Wolfgang Pauli. Advertían en plena guerra fría de los riesgos para el futuro de la joven república federal alemana que entonces se constituía, de incluir entre el arsenal de su ejército el uso de armas nucleares tácticas como había insinuado el canciller Konrad Adenauer, oponiéndose a su uso.

https://en.wikipedia.org/wiki/G%C3%B6ttingen_Manifesto

Premios Nobel de Gotinga

El nombre de la Universidad de Gotinga está conectado con las carreras de más de cuarenta ganadores del Premio Nobel. Catorce de ellos han sido galardonados con el Premio Nobel por la investigación realizada durante su estancia en Göttingen.

Max Born, Física (1882 – 1970)
Adolf Butenandt, Química (1903 – 1995)
Peter Debye, Química (1884 – 1966)
Manfred Eigen, Química (nacido 1927)
James Franck, Física (1882 – 1964)
Werner Heisenberg, Física (1901 – 1976)
Stefan W. Hell, Química (nacido 1962)
Erwin Neher, Medicina (nacido 1944)
Walther Hermann Nernst, Química (1864 – 1941)
Bert Sakmann, Medicina (nacido 1942)
Johannes Stark, Física (1874 – 1957)
Ot-Wallach, Química (1847 – 1931)
Adolf Ot- Reinhold Windaus, Química (1876 – 1959)
Richard Zsigmondy, Química (1865 – 1929)

Placa en la fachada de la Universidad de Gotinga de reconocimiento a sus profesores distinguidos, titulares y asociados (privatdozenten). Destaca la numerosa representación de profesores de ciencias y matemáticas (http://www.uni-goettingen.de/en/54319.html)

Reflexión final de un Paseo.

Resulta emocionante andar por estos senderos rodeados de lápidas e ir leyendo sucesivamente los apellidos grabados en ellas, que nos evocan fórmulas, ecuaciones y teoremas que han formado parte de una actividad intelectual y formativa ya lejana, y de pronto se materializan con la tristeza que acompaña a la muerte, pero al mismo tiempo con la fuerza e ilusión que produce la admiración por sus obras. Esta emoción se acompaña también con la incómoda sensación que nos hace pasar de un plano abstracto al lado más humano de estas tumbas, que contienen los despojos de sus familiares que nos revelan parte de su intimidad más privada. Y al salir del cementerio y volver a la ciudad, satisface comprobar cómo el espíritu de esa universidad y la ciudad que la alberga han hecho posible la obra de estos hombres.

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El “Großes Fass” de la radioterapia

Manuel Vilches Pacheco — Thu, 28 Nov 2024 11:50:44 +0000

En Heidelberg, Alemania, en los sótanos de su ecléctico castillo (cuya destrucción comenzó en la guerra de los treinta años y continuó en los siglos siguientes hasta su ruina actual), se conserva el Großes Fass (pronunciado “Groses Fas”, que significa “barril grande”), un enorme barril con capacidad para 220000 litros, destinado a contener el diezmo en vino que la población de la región del palatinado debía pagar anualmente al regente (y que, según cuenta el vulgo, que gusta de criticar a la nobleza, este despachaba en menos de seis meses, supongo que ayudado por amigos y familia). Este barril es un símbolo de la ciudad y la prueba de que allí siempre gustaron de construir artefactos comunes pero con proporciones gigantescas.

El Gran Barril de Heidelberg

Heidelberg es también famosa por ser la “cuna” del homo heidelbergensis, una especie de homo extinta descubierta en 1907 cerca de esta ciudad, un predecesor del homo neardentalensis, también, por cierto, descubierto en Alemania, cerca de Dusseldorf, a 300 kms al norte de Heidelberg, en 1856, y aunque algunos años antes se habían descubierto restos neardentales en Bélgica y Gibraltar, fueron esos huesos alemanes los que permitieron caracterizar aquellos restos anteriores como pertenecientes a una nueva especie extinta de homo (curiosamente esos restos fueron atribuidos por su descubridor, en un primer momento, a un cosaco que habría perseguido insistentemente a Napoleón a través de Europa, y no para pedirle un autógrafo, ya te puedes imaginar, comiendo solo lo que pillaba y de ahí su manifiesto raquitismo).

Vista del castillo de Heidelberg desde uno de los puentes de la ciudad.

En julio de 2008, junto a mis amigos Antonio Lallena y Salvador García (profesor y director de tesis el uno, residente y codoctorando el otro, y ambos colaboradores de este blog), visité Heidelberg. En realidad nuestro destino era la cercana ciudad de Darmstadt y el viaje no era de placer… o al menos no lo era en principio (es verdad que estos amigos míos son de los que encuentran tan placentero el trabajo que todo podía pasar, y pasó). Porque aquellos días resultaron ser de los que no olvidas nunca.
La intención del viaje era encontrarnos (en mi caso, por primera vez, y afortunadamente no por última) con uno de esos profesionales discretos e inteligentes a los que no puedes sino admirar en cuanto trabajas con él unas pocas horas: Dieter Schardt, de la Gesellschaft für Schwerionenforschung (o en lengua cristiana, Sociedad para la investigación de iones pesados… más conocida por sus siglas, GSI, y que desde 2008 es conocido como GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH. La “i” de “iones” está enmedio de esa palabra tan larga, puedes entretenerte buscándola).
Dieter iba a enseñarnos en esos días la instalación de radioterapia con iones ligeros (hadronterapia o ionterapia, como el lector prefiera) que él mismo había contribuido a poner en marcha en 1997 como una de las líneas de investigación del sincrotrón del GSI, y que desde entonces, impulsado por el Dr. Jürgen Debus de la Klinik für Radioonkologie und Strahlentherapie des Universitätsklinikums Heidelberg y con la colaboración del departamento de oncología del Deutsches Krebsforschungszentrum (Centro Alemán para la Investigación del Cáncer, o DKFZ) y el Zentrum für Positronen-Emissions-Tomographie Dresden-Rossendorf había tratado hasta ese momento a más de 400 pacientes.

Plano general del sincrotrón del GSI. Encerrado en en círculo rojo, el espacio dedicado a la línea de terapia.

Desde 1969, año de su fundación, el GSI de Darmstadt ha sido uno de los centros de investigación más importantes de Europa y allí se han descubierto unos cuantos elementos pesados (entre ellos, claro, el darmstadio). En plena fiebre de las altas energías de los 80 y 90, el centro se reinventó con la aplicación del conocimiento allí generado a la terapia del cáncer, convirtiéndose en un centro de referencia mundial en esta técnica gracias a su exclusivo sistema de barrido y modulación en energía. Hoy, el centro vive una tercera juventud al haber sido elegido para albergar la FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research).
Al igual que los protones, que no son sino iones de hidrógeno, los iones ligeros utilizados en el GSI (helio, carbono, nitrógeno, oxígeno y fluor) son partículas cargadas que, a pesar de su nombre, tienen masas tremendamente grandes (si los comparamos con las partículas normalmente utilizadas en radioterapia: fotones y electrones). La relación entre su carga (una vez ionizados, es decir, liberados de sus electrones corticales) y su masa es muy pequeña, lo que significa que hacen falta instalaciones muy potentes y complejas para darles la energía que necesitarán para penetrar en los medios materiales, en nuestro caso, el cuerpo del paciente. Al ser su masa mayor que la del protón interaccionarán muy intensamente con los electrones y núcleos atómicos del medio que atraviesan, perdiendo rápidamente su energía, lo que nos obliga a dotarlos de una energía mucho mayor que la requerida por los protones para alcanzar la misma penetración. Lo mismo puede decirse para la energía requerida para manipularlos o dirigirlos hacia el lugar que deseamos, lo que se consigue con enormes imanes como el de la siguiente fotografía.

Cuadrupolo típico de la línea del GSI

Entonces ¿qué ventajas puede tener usar iones?. La clave está en lo que conocemos como eficacia biológica relativa (RBE por sus siglas en inglés). ¿Y que es la RBE? (uhm, vamos de pregunta en pregunta, esto puede alargarse). El asunto es que no todas las radiaciones son igual de lesivas. Para un determinado efecto, y en terapia el efecto deseado es la muerte de las células tumorales, la dosis de radiación necesaria para alcanzar un nivel dado de efecto (o mortandad) depende del tipo de partícula y de su energía. La razón de que así sea es que dependiendo del tipo y energía la concentración de impactos por unidad de recorrido (digamos por micrómetro, o milésima de milímetro) cambia. Cuantos más impactos (ionizaciones) por unidad de espacio recorrido se produzcan, mayor será la concentración de daño producido en el DNA de la célula irradiada (que es el blanco biológico de interés… bueeeeeno, yaaaaa, sobre esto podemos discutir y discutiremos en otros posts) y por tanto más difícil será de reparar, o lo que es lo mismo, más eficaz, más letal (habría que hacer aquí un apunte sobre un comportamiento aparentemente paradójico conocido como overkill, pero no podemos pretender contarlo todo aquí, hay que dejar materia para otros posts). Esta eficacia es relativa porque está referida a la letalidad de las radiaciones convencionales, fotones y electrones, los cuales tienen una RBE de valor unidad.
La RBE de los protones parece ser solo ligeramente superior a la de fotones y electrones, radiaciones de baja LET (puedes leer este reciente artículo sobre el asunto) y esto significa que los protones no presentan, desde el punto de vista radiobiológico, una clara ventaja frente a aquellas. Los iones ligeros, en cambio, presentan valores de LET mucho más altos en general, pero, lo más interesante es que para cada especie iónica el valor de RBE depende de la energía, y como esta cambia conforme el ion penetra en el medio, es posible, seleccionando la especie y la energía inicial adecuadas, hacer coincidir la máxima eficacia biológica relativa con la región ocupada por el tumor. Esto significa que la razón entre la dosis biológica en el tumor y la dosis biológica en el tejido sano puede llegar a ser hasta cuatro veces mayor que para los haces de protones (puedes encontrar aquí un documento muy completo sobre esto de la RBE en terapia con iones, aunque tal y como avanza la investigación puede que esté obsoleto).

Valores experimentales de RBE en función de la LET para protones y algunos de los iones más comunes, recopilados en este otro artículo reciente.

Pero la ventaja no acaba ahí. Ese alto valor de densidad de daño es también importante por otro motivo. Las radiaciones de baja LET solo pueden provocar daños irreparables en el ADN por la acción conjunta y coincidente, en el espacio y el tiempo, de varios eventos de ionización. Los eventos ionizantes actúan sobre el ADN por medio de la creación de radicales químicamente muy reactivos. Pero precisamente por esta alta reactividad esos radicales tienen vidas efímeras y son pronto neutralizados en el ambiente celular, por lo que las distancias que recorren son cortas y difícilmente podrán actuar simultáneamente a menos que los eventos ionizantes que los produzcan ocurran muy muy muy cerca. La presencia de oxígeno en el ambiente celular alarga la vida de esos radicales y permite que esa simultaneidad ocurra con más facilidad. El oxígeno “sustituye” a esos radicales en aquellas reacciones destinadas a neutralizarlos, y colabora a la formación de productos químicos aún más lesivos que los radicales originales. De esta forma, las células bien oxigenadas muestran un mayor nivel de daño que las peor oxigenadas cuando las irradiamos con radiación de baja LET. Y esto es, en general, un problema, dado que muchos tejidos tumorales crecen con cierta carencia de oxígeno y pueden mostrarse más radiorresistentes que los tejidos sanos circundantes. Pues bien, nada de esto ocurre cuando utilizamos radiación de alta LET. Con estas, la densidad de ionización es suficiente como para producir daños irreparables en el ADN sin requerir esa acción conjunta de radicales y de esta forma actúan por igual en tejidos oxigenados (sanos) e hipóxicos (tumorales). Adecuando la especie y energía podemos conseguir que los iones tengan un valor óptimo de LET en el tumor, obviando así el efecto oxígeno, y un valor de LET considerablemente más bajo en el tejido sano, lo que produce cocientes de eficacia biológica aún más favorables.
Existen otras ventajas relacionadas con el hecho de que, debido a su gran masa, los iones son apenas desviados en su interacción con los átomos del medio, por lo que el haz de tratamiento se encuentra en todo momento bien colimado y adaptado a la forma deseada, evitando irradiar los tejidos adyacentes a su trayectoria. Sobre los inconvenientes de usar iones, que también los hay, dejaremos que vayan apareciendo en los comentarios al post.
Después de este inciso radiobiológico, llega el momento de recorrer el GSI y conocer su línea de terapia.
El sincrotrón completo, que es una máquina gigante, se controla desde la sala principal (foto siguiente). Desde aquí el haz se monitoriza en tiempo real y se dirige a las distintas terminales de trabajo (líneas) en cada una de las cuales se realiza un experimento diferente. El sincrotrón es capaz de alimentar estas líneas de forma simultánea y, lo que es más sorprendente, suministrar a cada una una intensidad y energía de radiación adecuada a sus momentáneas necesidades. Incluso, para una línea dada, es posible programar una secuencia de energías cambiantes saltando de la una a la siguiente con una pasmosa velocidad, prácticamente sin interrupción del suministro de partículas. Sí, es una máquina muy cara y grande… pero cumple su cometido con aun mayor eficiencia.

Consola de mando principal del sincrotrón del GSI

Ya en la sala de terapia encontramos la consola de control de la línea, como vemos (foto siguiente) una cosa “más manejera”, que decimos en Murcia. Desde esta consola se controla el barrido del haz y la demanda de corriente y energía de la línea, de acuerdo al plan de tratamiento planificado. ¡Anda!, es verdad, aun no he contado que es eso del barrido.

Consola de mando de la línea de radioterapia del GSI

En el post de Rafael Arrans sobre protonterapia ya se explicó que la distribución de dosis producida por un haz de partículas cargadas y pesadas, como los protones o los iones, aparece un pico en la parte final del recorrido. Se denomina pico de Bragg y está asociado al hecho de que la cantidad de interacciones por unidad de recorrido de este tipo de partículas crece mucho al final de su trayecto, cuando la partícula ha perdido gran parte de su energía. Por ello, para irradiar un tumor completo uniformemente debemos modular esa energía lo que generalmente se consigue interponiendo un espesor variable de material atenuador, de forma que el tumor se irradia “en lonchas” de diferente profundidad.
Por otra parte, el haz es demasiado estrecho para abarcar el tumor completo, así que deberemos ensancharlo. Puede esto conseguirse interponiendo, mucho antes de que el haz llegue al paciente, una lámina de material sólido que disperse los iones creando de esta forma un haz extenso capaz de irradiar los tumores de tamaño común. Ese haz deberá entonces colimarse para adaptarlo a la sección del tumor, pero esta sección es diferente para cada una de aquellas lonchas, lo que implicará que algunas regiones sanas adyacentes al tumor se irradiarán sin necesidad.
Ambas soluciones, la modulación en energía por atenuador, y el ensanchamiento del haz por dispersión no son óptimas. En el GSI optaron por un sistema que permitiría la irradiación óptima del tumor. En el sincrotrón del GSI la modulación en energía se realiza directamente en el proceso de aceleración, seleccionando la energía deseada en cada momento. Esta selección se realiza de forma prácticamente instantánea, y el ensanchamiento del haz se consigue utilizando un campo magnético que desvía el haz estrecho a la región que se pretende irradiar, “barriendo” cada uno de las lonchas ¡justo en su sección exacta!. Modulando la energía y realizando ese barrido, el pico de Bragg del haz va, poco a poco, “pintando con radiación” el volumen del tumor. Energía y posición son monitorizadas en tiempo real por un complejo conjunto de sensores, mucho más sofisticado que el empleado en los aceleradores de electrones utilizados normalmente en los servicios de radioterapia. Para planificar estos tratamientos tan complejos el GSI debió desarrollar un software específico.
Pero las innovaciones no se quedan en la forma en que el haz se genera, manipula y controla y en como el tratamiento se planifica. El GSI desarrolló también una técnica de dosimetría in vivo muy especial. Cuando los iones penetran en la materia, parte de ellos colisionan con los núcleos atómicos y los transforman en ciertas variedades radiactivas capaces de emitir positrones. Es un fenómeno poco frecuente, y la cantidad de núcleos radiactivos producida es muy pequeña, pero es proporcional a la dosis y es suficiente para permitir, empleando un tomógrafo por emisión de positrones, obtener una medida directa de la distribución tridimensional de la dosis en el cuerpo del paciente irradiado que puede compararse con la distribución esperada para validar así la calidad del tratamiento administrado. La foto siguiente muestra los dos cabezales del detector de positrones.

Los dos cabezales del tomógrafo por emisión de positrones empleado en el GSI para la dosimetría in vivo por activación de núcleos (en blanco) en su posición de reposo, junto al cabezal de tratamiento (verde). Pueden verse también, colgando del techo, los dos tubos de rayos X convencionales con los que contaba la instalación para realizar guiado por imagen del tratamiento.

Puede que la vida del ion no sea fácil, ciertamente, pero visto lo visto, parece que la del especialista en acelerar iones tampoco debe serlo.
La experiencia adquirida en este proyecto en la aplicación clínica de esta tecnología ha sido considerable y muy positiva, especialmente en el tratamiento de ciertos tipos de tumores craneales pobremente oxigenados y por ello muy radiorresistentes y muy difíciles de tratar con técnicas convencionales.
Nuestra visita coincidió con la última tanda de tratamientos que aquella instalación iba a realizar (de hecho esa era la razón de ir en esas fechas). La misión pionera del GSI en ionterapia había concluido y lo había hecho con éxito: la tecnología que allí habían desarrollado estaba ya lista para ser incorporada a los hospitales. Y de hecho, ya se había incorporado.
En Heidelberg, a 50 kilómetros de Darmstadt, la Klinik für Radioonkologie und Strahlentherapie des Universitätsklinikums Heidelberg acababa de instalar un sincrotrón de haz barrido, el primero en el mundo en un centro hospitalario en el Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT) y Dieter había conseguido autorización para que pudiéramos realizar una visita.
Como en la instalación del GSI, la del HIT cuenta con un par de líneas fijas, es decir, haces que apuntan en una dirección que no puede ser modificada. En estos la dirección de incidencia óptima sobre la anatomía del paciente se consigue moviendo este, no el haz, lo que en un principio cabe pensar que limitará las posibilidades terapéuticas del equipo. Pero en el HIT han apostado por superar ese inconveniente con un reto tecnológico de grandes proporciones: la construcción de una tercera línea móvil capaz de realizar rotaciones isocéntricas alrededor del paciente, tal como hacemos habitualmente con nuestros aceleradores de electrones. Pero como decía Rafael Arrans en su post sobre protonterapia, la tremenda masa de los iones hace necesario emplear tremendos imanes para orientar el haz en la dirección deseada y si estos imanes han de rotar alrededor del paciente, la estructura que los soporta deberá ser parejamente tremenda. 700 toneladas de tubo metálico se emplearon para construir un “gantry” aproximadamente cilíndrico de 15 metros de largo y 10 de diámetro, capaz de soportar los imanes y segmentos de guía que han de rotar para orientar el haz. Para alojarla fue necesario construir un gran hangar, que cuenta con plataformas a dos alturas para las labores de servicio.
En el siguiente enlace puedes ver un esquema de la instalación del HIT. Pueden verse, de izquierda a derecha: La sala de fuentes (al inicio de la línea), el acelerador lineal inyector (el tramo rectilíneo), el sincrotrón, las dos líneas fijas y, en el extremo derecho, el gigantesco “gantry” rotatorio.
http://www.dkfz.de/en/medphys/heavy_ion_therapy/images/E040-9.jpg

Mesa y sistema radiográfico de tomografía por haz cónico (CBCT) montados sobre brazos robóticos en una de las salas de haz fijo del HIT. El cilindro que emerge de la pared, tras la cabeza del paciente, es el cabezal de tratamiento (de http://www.nucleonica.net/wiki/images/e/e5/Hadrontherapy.jpg )

Cuando terminó nuestra visita al HIT, Dieter quiso que visitáramos el castillo de Heidelberg. Allí, según él, entenderíamos porque se había construído en esa ciudad aquel “gantry” tremendo. Cuando por fin estuvimos ante el gran barril, los cuatro estuvimos de acuerdo: sin duda, aquella máquina que habíamos visto era el Grosses Fas de la radioterapia. Pero lo que no sabíamos era si algún día recibiría el tributo que sus dueños esperaban: entre un 5 y un 10% de pacientes cuyas probabilidades de curación podrían verse incrementadas con esa tecnología.
El homo heidelbergensis fue, como hemos dicho, el precursor del homo neardentalensis. Hoy día estamos prácticamente seguros de que esa rama humana se extinguió sin descendencia y que los humanos actuales no tenemos con ellos ningún parentesco salvo compartir algún ancestro. Esperemos que la terapia heidelbergensis no corra la misma suerte. Será señal de que todo ese esfuerzo tecnológico e inventivo ha dado realmente fruto, y será en el futuro una valiosa herramienta, otra más, en la lucha, se diría interminable, contra el cáncer.

Antonio Lallena y Salvador García posan ante un segmento de acelerador lineal que decora los jardines del GSI

Vista interior de ese segmento de acelerador lineal

De izquierda a derecha: Dieter Schardt, Antonio Lallena, este que escribe y Salvador García, posando ante el collage realizado con fotos de la historia del GSI. Todo esto de los iones está muy bien, es realmente interesante, o a mi me lo parece. Pero lo mejor de aquellos días fue compartirlos con mis buenos amigos. En esta vida, hagas lo que hagas, no importa a qué te dediques, procura siempre hacerlo con esas personas a las que quieres.

PD1: Con Dieter he tenido la suerte de coincidir unas cuantas veces desde entonces. Fue miembro de mi tribunal de tesis en 2009, casi un año justo después de conocernos, y hace poco mas de un año nos vimos en el Centro Nacional de Aceleradores en Sevilla, donde él estaba por unos meses poniendo a punto el tandem para crear una línea de protones para experimentos de radiobiología. Siempre se aprende viéndole trabajar (con lo que le gusta a los alemanes trabajar y a los españoles ver trabajar no sé como no desarrollamos más proyectos conjuntos, sería una satisfacción para todos).
PD2: Este post, que llevaba tiempo queriendo escribir pero al que no lograba dar forma, surgió con esta que aquí tiene viendo el capítulo 7 de la serie “De la tierra a la luna”, dedicado a la misión Apolo 12… salvando las distancias, claro.
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