Protonterapia

Volvemos con las colaboraciones al blog. Nuestra colaboradora Ana Barragán , nos hablará sobre física médica,cáncer y protones. Ana es licenciada en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid, y actualmente es estudiante de doctorado en el grupo MIRO (Molecular Imaging Radiation Oncology) de la Université catholique de Louvain (UCL) en Bélgica

 

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Crecimiento de la protonterapia en los últimos años. Imagen publicada en ”Wall  street journal” [1].

Protón y terapia, quizás os estaréis preguntado cómo estos dos términos pueden componer una misma palabra. Pues sí, no es ciencia ficción, la protonterapia, al igual que la radioterapia, es una técnica utilizada para tratar el cáncer. Concretamente, la protonterapia se engloba dentro de lo que es conocido como ‘hadronterapia’. En radioterapia se utilizan rayos X de alta energía, mientras que en la hadronterapia, el haz usado en el tratamiento se consigue mediante de la aceleración de partículas pesadas cargadas como protones (núcleos de Hidrógeno) o iones más pesados, como el Carbono. Aunque el término ‘hadronterapia’ sea muy amplio en cuanto a las distintas partículas que se podrían utilizar en teoría, en la práctica, la mayoría de los centros existentes optan por el uso de protones.

 

La historia de la hadronterapia se remonta a la década de los 40. Por aquel entonces, los protones sólo se utilizaban para temas de investigación principalmente en las universidades, pero en 1946 el físico estadounidense Robert Wilson, propuso utilizar los protones para algo más: el tratamiento contra el cáncer. El primer tratamiento se realizó en 1954 en el Lawrence Berkeley Laboratory (California, EE UU). Sin embargo, es tan sólo en la última década cuando la comunidad científica ha vuelto a centrar su atención en la protonterapia y su uso ha comenzado a crecer.

Para que os hagáis una idea de lo ´trendy´ que se ha convertido: hasta el año 2010 había 27 centros de protonterapia en todo el mundo. Desde aquel entonces hasta hoy mismo –Junio de 2016- , 31 nuevos centros han sido creados y otros 32 están en proceso de construcción [2]. Cada centro puede tener una o varias salas de tratamiento; el centro más grande del mundo (Roberts Proton Therapy Center) tiene 5 salas y está en Filadelfia, EE UU.  Recientemente, el tan conocido Wall Street Journal publicó un artículo donde hablaban del ‘boom’ de la protonterapia, especialmente en Estados Unidos, y del crecimiento exponencial que había experimentado en los últimos años.

Pero,  ¿qué es la protonterapia?

Existen tres métodos principales para tratar el cáncer: cirugía, quimioterapia y radioterapia. En radioterapia, utilizamos radiación para bombardear el tumor y así romper el ADN de las células cancerígenas, provocando su muerte. La mala noticia, es que la radiación atraviesa también tejidos y órganos sanos a su paso por el cuerpo. El objetivo de la radioterapia es, por tanto, mantener una dosis elevada en el tumor reduciendo lo máximo posible la toxicidad en las zonas sanas.

La radioterapia convencional utiliza fotones de energía alrededor de los 10 MeV provenientes de una fuente de irradiación situada a cierta distancia del paciente. En el caso de la protonterapia, el tumor es bombardeado con protones que han sido acelerados mediante un sincrotrón o un ciclotrón hasta conseguir una energía del orden de los 100 MeV.

En cuanto a las técnicas de tratamiento, existen dos principales: sistema de dispersión pasiva (‘single/double-scattering’) o activa (‘beam-scanning’). Los sistemas de dispersión pasiva utilizan materiales que permiten dispersar el haz en su dirección transversal hasta conseguir una dosis uniforme en todo el ancho del tumor. Sin embargo, en los sistemas activos, aprovechando el hecho de que los protones son partículas cargadas, se utiliza un sistema de deflexión magnético para mover el haz vertical y horizontalmente hasta cubrir toda la superficie del tumor [3, 4].

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Sala de tratamiento con protonterapia. El cabezal es capaz de rotar para irradiar al paciente en diferentes zonas

Protonterapia vs radioterapia convencional

La clave para entender las ventajas de la protonterapia con respecto a la radioterapia convencional reside en la forma en que cada partícula deposita su energía. Los fotones depositan una gran cantidad de energía en los primeros centímetros de su recorrido, sufriendo una atenuación exponencial hasta que son absorbidos por completo en la materia. Sin embargo, los protones muestran un comportamiento opuesto, es decir, depositan casi toda su energía al final del trayecto, en lo que es conocido como pico de Bragg. Para asegurar una dosis uniforme en todo el volumen del tumor es necesario superponer varios picos de Bragg de diferente energía, es decir, lanzar protones que depositarán su energía a distintas profundidades del tumor. Esto es lo que se llama Spread Out Bragg Peak (SOBP), que podría traducirse como ‘ensanchamiento del pico de Bragg’.

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Deposición de energía de fotones (linea rosa) y protones (linea azul). En la imagen de la izquierda podemos ver el ensanchamiento del pico de Bragg debido a la aplicación de protones con diferentes energías.

 

Por lo tanto, en un tratamiento con protones, la radiación será más focalizada en el tumor, con una mínima dosis a la entrada y cero dosis en los tejidos que se sitúan después del tumor. Esto supone una gran ventaja para el paciente, puesto que como hemos dicho antes, el objetivo de todo tratamiento con radiación es matar las células cancerígenas sin que los tejidos sanos reciban una dosis demasiado elevada. Concretamente,  al exponer órganos sanos a la radiación, el paciente se enfrenta a todo un abanico de efectos secundarios, incluido el riesgo de aparición de un cáncer radio-inducido.  Cuanto más joven es el paciente, los efectos a largo plazo serán más numerosos y puede que más severos, en especial si el tratamiento es realizado durante el proceso de crecimiento. Por esta razón, la ventaja de la protonterapia con respecto a la radioterapia convencional es, si cabe, aún más grande en el caso de los tumores pediátricos [5].

 

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Ilustración de la dosis recibida por un paciente en un tratamiento de protonterapia (izquierda) y radioterapia convencional (derecha)

 

Sin embargo, la mayor ventaja de la protonterapia, el pico de Bragg, es también su mayor debilidad, puesto que pequeñas incertidumbres durante el tratamiento pueden dar lugar a una mala estimación de este pico de energía y como consecuencia, la dosis podría ser depositada completamente fuera del tumor. Las incertidumbres son causadas por distintos factores como el cálculo de la dosis, el posicionamiento del paciente o cambios en la anatomía durante el tratamiento. Estos errores también están presentes en un tratamiento con radioterapia convencional, pero su impacto es casi despreciable debido a la caída exponencial de la dosis. Pongamos un ejemplo sencillo, imaginemos un paciente con un tumor pulmonar, contra el que lanzamos un haz de protones de una cierta energía. Inicialmente, habíamos calculado que todo el tejido que el haz protones iba a atravesar era tejido pulmonar (línea roja en la figura 3). Sin embargo, el día del tratamiento, la densidad de una parte del pulmón ha disminuido y es equivalente a tener una franja de 2cm de aire. A menor densidad del tejido atravesado y para un haz de la misma energía, los protones podrán alcanzar una mayor profundidad de penetración. En este caso, la dosis calculada al inicio no será válida para la nueva anatomía y los protones ya no pararán al final del tumor sino más allá (línea verde, Figura 3), con el riesgo de depositar la radiación en un órgano sano circundante. Imaginemos ahora el mismo ejemplo pero utilizando un haz de fotones: Debido a la caída suave de la dosis, la misma perturbación provocará solamente una ligera diferencia entre la dosis calculada al inicio (línea negra) y la del día del tratamiento (línea azul).

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Representación del efecto causado por modificaciones en el tejido atravesado durante un tratamiento de un tumor pulmonar.

Esta incertidumbre en la estimación del alcance del protón es una de las razones por las que la protonterapia no es explotada al máximo. De hecho, hoy en día menos de un 1% de los pacientes con cáncer son tratados con esta técnica. La segunda razón, es el alto coste que suponen las instalaciones de un centro de protonterapia.

Afortunadamente, la tecnología avanza rápido y de los más de 100 millones de euros que costaba un centro de protones (con una sola sala de tratamiento) hace algunos años, hoy en día el precio ha disminuido hasta los 25 millones, gracias a soluciones más compactas y materiales más económicos.  Con respecto a las incertidumbres que hacen de esta terapia un ‘arma de doble filo’, muchos son los equipos que se dedican a investigar técnicas para medir el alcance del protón ‘in-vivo’ (utilizando emisiones ‘prompt-gamma’ por ejemplo) o algoritmos para optimizar el tratamiento de tal forma que éste sea robusto a distintos escenarios de incertidumbres. Poco a poco, estos avances van haciendo que la comunidad médica tenga una mayor confianza en la protonterapia y de ahí el reciente ‘boom’ que esta técnica ha experimentado en los últimos años.

Con esto podemos concluir diciendo que la protonterapia tiene un gran potencial, pero que una gran parte de él está aún por explotar. Este potencial depende en gran medida del control de las incertidumbres durante el tratamiento para asegurar una dosis correcta, adaptada a la anatomía del paciente en el mismo instante del tratamiento.  Como podéis ver, la investigación tiene aún mucho por hacer en este campo, tanto para continuar haciendo frente a todas las incertidumbres mencionadas anteriormente, como para disminuir aún más los costes de esta terapia y convertirla en una técnica más accesible para todos. En España, no existe todavía ningún centro de protones pero confío en que pronto (quién sabe si este blog puede caer en manos de alguien importante para convencerlo), podamos beneficiar de esta terapia en nuestro país.

 

Referencias

[1] http://www.wsj.com/articles/proton-beam-therapy-for-cancer-gets-renewed-attention-1463428188

[2] http://www.ptcog.ch/index.php/facilities-in-operation

[3]http://nuclear.fis.ucm.es/CDTEAM/articulos%20pdf/PDF%20PUBLICACIONES%20IMAGEN%20MEDICA/HADRONTERAPIA-herranz-2008.pdf

[4] https://desayunoconfotones.org/2014/04/21/que-tiene-un-proton-que-no-tengan-los-fotones-parte-1-de-2/ and https://desayunoconfotones.org/2014/04/28/que-tiene-un-proton-que-no-tengan-los-fotones-2-de-2/

[5] R. Miralbell, A. Lomax, L. Cella and U. Scheneider, “Potential reduction of the incidence of radiation-induced second cancers by using proton beams in the treatment of pediatric tumors”, International Journal of Radiation Oncology Biology Physics 2002, pp. 824-829.

 

 

 

 

 

 

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Un comentario Agrega el tuyo

  1. Pedro dice:

    Muy claro y didáctico!
    Mucho ánimo para la investigación.

    Me gusta

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