Los expertos en Japón han ideado una forma sencilla de obtener información más detallada de los escáneres de imágenes médicas estándar.

Un equipo de investigación compuesto por físicos atómicos y expertos en medicina nuclear de la Universidad de Tokio y el Instituto Nacional de Ciencias Radiológicas (NIRS) ha diseñado un temporizador que puede permitir que los escáneres de tomografía por emisión de positrones (PET) detecten la concentración de oxígeno de los tejidos en todo el cuerpo de los pacientes.

Esta mejora de los escáneres de PET puede conducir a un futuro de mejor tratamiento del cáncer al identificar rápidamente partes de los tumores con un crecimiento celular más agresivo.

"La experiencia de los pacientes en este futuro escáner de TEP será la misma que ahora.

La experiencia de los equipos médicos en la realización del escáner también será la misma, sólo que con más información útil al final", dijo la doctora en medicina nuclear Miwako Takahashi del NIRS, coautora de la publicación de investigación en Física de la Comunicación.

"Este fue un proyecto rápido para nosotros, y creo que también debería convertirse en un avance médico muy rápido para pacientes reales en la próxima década".

Espero que las empresas de dispositivos médicos puedan aplicar este método de forma muy económica", dijo el profesor adjunto Kengo Shibuya de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias de la Universidad de Tokio, primer autor de la publicación.

Escáneres PET

Los positrones por los que se denominan los escáneres PET son las formas de antimateria cargadas positivamente de los electrones.

Debido a su diminuto tamaño y a su extremadamente baja masa, los positrones no suponen ningún peligro en las aplicaciones médicas.

Los positrones producen rayos gamma, que son ondas electromagnéticas similares a los rayos X, pero con longitudes de onda más cortas.

Al recibir una TEP, el paciente recibe una pequeña cantidad de líquido muy débilmente radiactivo, a menudo compuesto de moléculas de azúcar modificadas, generalmente inyectadas en su sangre.

El líquido circula durante un corto período de tiempo.

Las diferencias en el flujo sanguíneo o el metabolismo afectan a la forma en que se distribuye la radiactividad.

El paciente se acuesta en un gran escáner de PET con forma de tubo.

A medida que el líquido radioactivo emite positrones que luego se descomponen en rayos gamma, los anillos de los detectores de rayos gamma trazan un mapa de las ubicaciones de los rayos gamma emitidos por el cuerpo del paciente.

Los médicos ya solicitan los escáneres de TEP cuando necesitan información no sólo sobre la estructura, sino también sobre la función metabólica de los tejidos dentro del cuerpo.

Detectar la concentración de oxígeno utilizando el mismo escáner TEP añadiría otra capa de información útil sobre la función del cuerpo.

La concentración de oxígeno medida en nanosegundos

La vida de un positrón es una elección de dos caminos muy cortos, ambos comienzan cuando un positrón "nace" al ser liberado del líquido radioactivo del escáner TEP.

En el camino más corto, el positrón colisiona inmediatamente con un electrón y produce rayos gamma.

En el camino ligeramente más largo, el positrón se transforma inicialmente en otro tipo de partícula llamada positronio, que luego decae en rayos gamma.

De cualquier manera, la vida útil de un positrón dentro de un cuerpo humano no supera los 20 nanosegundos, o una cincuenta millonésima de segundo (1/50.000.000 de segundo).

"El resultado es el mismo, pero la vida no lo es.

Nuestra propuesta es distinguir la vida útil de los positrones mediante una tomografía por emisión de positrones (PET) con un temporizador, de modo que podamos trazar un mapa de las concentraciones de oxígeno en el interior del cuerpo de los pacientes", dijo Shibuya.

Shibuya y sus colegas desarrollaron una tabla de esperanza de vida para los positrones usando un escáner TEP miniaturizado para cronometrar la formación y el decaimiento de los positrones en los líquidos con concentraciones conocidas de oxígeno.

Los nuevos resultados del equipo de investigación revelan que cuando la concentración de oxígeno es alta, el camino más corto es más probable.

Los investigadores predicen que su técnica será capaz de detectar la concentración absoluta de oxígeno en cualquier tejido del cuerpo de un paciente basándose en la vida útil de los positrones durante un escáner TEP.

La detección de la vida útil de los positrones es posible utilizando los mismos detectores de rayos gamma que ya se utilizan en las exploraciones de TEP.

El equipo de investigación predice que la mayor parte del trabajo para transferir esta investigación del laboratorio a la cabecera de la cama será en la actualización de los detectores de rayos gamma y el software para que los detectores de rayos gamma puedan registrar no sólo la ubicación, sino también datos exactos de tiempo.

"No debería suponer un gran aumento de los costos para el desarrollo de instrumentos", dijo el profesor Taiga Yamaya, coautor de la publicación de la investigación y líder del Grupo de Física de Imágenes del NIRS.

Escáneres PET mejorados para un tratamiento más efectivo del cáncer

Los expertos médicos han comprendido desde hace mucho tiempo que las bajas concentraciones de oxígeno en los tumores pueden impedir el tratamiento del cáncer por dos razones: En primer lugar, un nivel bajo de oxígeno en un tumor suele ser causado por un flujo sanguíneo insuficiente, lo que es más común en los tumores agresivos de crecimiento rápido que son más difíciles de tratar. En segundo lugar, los bajos niveles de oxígeno hacen que la radiación sea menos eficaz porque los efectos deseados de la radioterapia para matar las células cancerosas se logran en parte gracias a la energía de la radiación que convierte el oxígeno presente en las células en radicales libres que dañan el ADN.

Así pues, la detección de la concentración de oxígeno en los tejidos corporales informaría a los expertos médicos de cómo atacar más eficazmente los tumores en el interior de los pacientes.

"Nos imaginamos dirigir un tratamiento de radiación más intenso a las zonas agresivas y de baja concentración de oxígeno de un tumor y dirigir un tratamiento de menor intensidad a otras zonas del mismo tumor para dar a los pacientes mejores resultados y menos efectos secundarios", dijo Takahashi.

Shibuya dice que el equipo de investigadores se inspiró en la puesta en práctica de un modelo teórico sobre la capacidad de los positrones para revelar la concentración de oxígeno publicado el año pasado por investigadores de Polonia.

El proyecto pasó del concepto a la publicación en sólo unos meses, incluso con las restricciones relacionadas con la pandemia de COVID-19.

Shibuya y sus colegas se proponen ahora ampliar su trabajo para encontrar cualquier otro detalle médico que pueda ser revelado por la vida útil de un positrón.

Fuente: University of Tokyo