La antimateria del PET

Tengo el honor de comunicarles que mi entrada de hoy está en el estupendo blog de Amazings, una estupenda iniciativa de divulgación de la ciencia.

Cuando el médico propone que te hagas un PET no nos suena raro. Quizá nos dé un poco de miedo el diagnóstico que se derive de la prueba, pero nos hemos acostumbrado a que estas siglas pertenezcan al ámbito hospitalario. PET significa nada menos que tomografía de emisión de positrones, y es una técnica que involucra a muchas ramas de la ciencia como las matemáticas, la física, la química, la biología, la bioquímica, la farmacia, y por supuesto, la medicina.

Esta técnica ha permitido avanzar en campos tan delicados de la medicina como la oncología (detección de tumores), la neurología (diagnóstico de enfermedades como Alzheimer o Parkinson, y de tumores cerebrales) y la cardiología (distingue entre tejido sano y tejido cardiaco infartado).

Además, esta técnica médica presenta ventajas respecto a otras como el TAC (tomografía axial computerizada) o la resonancia magnética, ya que permite detectar las alteraciones metabólicas, que son anteriores a los cambios anatómicos (detectados por TAC o RM) y así se consigue un diagnóstico precoz de la enfermedad.

Los positrones son la anti-partícula del electrón, es decir, presentan la misma masa y carga contraria al electrón. Su existencia fue predicha por Dirac, y C. D. Anderson fue el primero en detectarlos en la radiación gamma. Lo que les hace tan interesantes para la PET, es que por cada colisión con un electrón, se generan dos fotones, y esto permite (junto con todo lo que explicaremos despacio) la sensibilidad de esta técnica. Para poder utilizar la PET necesitamos, por tanto, generar positrones y esto se consigue mediante un ciclotrón. Este aparato fue inventado por E.O. Lawrence y M.S. Livingston para acelerar partículas. La alta energía cinética generada se puede emplear en reacciones nucleares para obtener los radionúclidos emisores de positrones, que se usan en la PET.

En el ciclotrón, las partículas se mueven en el interior de dos recipientes metálicos semicirculares que están contenidas en una cámara de vacío en el interior de un campo magnético proporcionado por un electroimán. En los ciclotrones actuales se prefiere acelerar iones. En concreto, se suele usar como radionúclido el ¹⁸F, que se genera en la reacción nuclear: ¹⁸º + protón → ¹⁹F → ¹⁸F + neutrón, y se conoce como reacción nuclear protón-neutrón (p,n).

Con datos más técnicos, lo que se hace es  acelerar iones hidruro que han sido generados en una fuente de iones situada en el centro del campo magnético, y una vez que abandonan el campo magnético, hacerlos pasar por unas finas láminas de carbono que arrancan los electrones a estos iones negativos, generando protones. Este haz de protones se introduce por unos colimadores y se hace incidir sobre la diana: donde tiene lugar la reacción nuclear.

Hasta aquí la parte de física, ahora entramos de lleno en la química (y farmacia) que se ocupa del diseño de los llamados radiofármacos o antimetabolitos: están compuestos por una molécula análoga a cualquiera con actividad metabólica en el cuerpo humano (o animal) y un radionúclido emisor de positrones, como el ¹⁸F o ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O, que son considerados trazadores biológicos y que tienen una vida media de 110, 20, 10 y 2 minutos, respectivamente.  El más empleado es el primero ya que, al presentar menor energía de emisión, repercute positivamente en la resolución de las imágenes obtenidas. Además, en su desintegración no se emiten rayos gamma podrían interferir con la detección de los fotones gamma resultantes de la aniquilación electrón-positrón. La molécula más empleada en el diagnóstico PET es la la 2-[18F]-fluoro-2-desoxi-D-glucosa (FDG).

El paciente recibe el radiofármaco por vía intravenosa y debe permanecer en reposo para permitir la incorporación del medicamento a su organismo, y entonces se le realiza la PET. Presenta las ventajas de que al tener una vida media corta, el paciente no está expuesto durante mucho tiempo a la radiación, que en cualquier caso no es peligrosa, siendo la PET una técnica de diagnóstico no invasiva.

Dentro del cuerpo humano, el radionúclido para aumentar su estabilidad emite positrones, que se desplazan una distancia proporcional a la energía de emisión y que al colisionar con un electrón, generan dos fotones, siguiendo la conocida ecuación de Einstein de E=mc², que son emitidos a 180º el uno respecto al otro.

Por ejemplo, aplicado a la oncología (y aquí ya entramos en la biología y bioquímica humanas): en los estudios PET-[18F]-FDG, se observa un incremento en la glucólisis de las células tumorales. Es decir, aumenta el metabolismo de la glucosa y la producción de lactato mientras se observa una reducción de las rutas oxidativas. Como este radionúclido es análogo de la glucosa entra en la membrana celular empleando los mismos transportadores como glucosa (GLUT).Después, es fosforilada a [18F]-FDG-6-fosfato por la enzima hexoquinasa. Pero este metabolito ya no es un sustrato para las enzimas posteriores y en consecuencia se captura y acumula en el interior de la célula, siendo proporcional al metabolismo de la glucosa.

El tomógrafo PET permite la detección de los fotones por medio de bloques detectores en disposición anular, que rodean al paciente (360º), y que están hechos de tubos fotomultiplicadores con cristales de óxido de germanio y potasio. La señal obtenida se recoge en el ánodo. Pero…, ha de ser interpretada… Y para esto se requieren las matemáticas: en 1979GodfreyHounsfield y Alan Cormackconsiguieron el premio Nobel de medicina por su trabajo en el desarrollo de la tomografía computada.

Hoy en día, el estudio PET es el medio de diagnóstico de vanguardia que emplea las propiedades especiales de la aniquilación de los positrones creando así, con la ayuda de un software, imágenes tridimensionales de la biodistribución de un radiofármaco en el organismo. Esto permite representar los procesos bioquímicos in vivo, como por ejemplo: el metabolismo de glucosa del que ya hemos hablado, el transporte de aminoácidos, el flujo sanguíneo, los neurorreceptores, etc. Y también nos sirve de ejemplo como fusión intradisciplinar de distintas ramas de la ciencia, al servicio del hombre.

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Este artículo participa en los Premios Nikola Tesla de divulgación científica y nos lo envía Dolores Bueno López, química y estudiante de máster de Química Sostenible. Es autora del blog World Enlenmeyer y también podéis seguir sus pasos por tuiter en la cuenta @Ununcuadio.

Referencias

Alonso, Zamora, Tomografía por emisión de positrones: los nuevos paradigmas.Tip Revista Especializada en Ciencias Químico-Biológicas, ISSN (Versión impresa): 1405-888X revistatip@yahoo.com, Universidad Nacional Autónoma de México México

Cantero, Iglesias, Aguilar, Sau, Tadíoe, Narrillos,Validación del proceso de fabricación de 2-[18F]-fluoro-2-desoxi-D-Glucosa en Centro Andaluz de Diagnóstico,PET. Rev. Esp. Med. Nuclear, 21: 235, 2002

Cantero., Lorenzo, Lozano, Fundamentos de la tomografía por emisión de positrones. Internet

Pequeñuelas I.,Radiofármacos PET,Rev Esp Med Nuclear, 20: 477-498, 2001