Investigadores de la Universidad de Tokio y del Instituto Nacional de Ciencias Radiológicas han diseñado una forma de detectar la concentración absoluta de oxígeno en el cuerpo de los pacientes, lo que puede conducir a un tratamiento del cáncer más eficaz. Los resultados se publican en Communication Physics. Crédito: Taiga Yamaya, CC BY 4.0
El equipo japonés tiene como objetivo detectar la concentración de oxígeno en los tumores mediante un escaneo de imágenes médicas mejorado.
Los expertos de Japón han ideado una forma sencilla de obtener información más detallada de las exploraciones de imágenes médicas estándar. Un equipo de investigación formado 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 en los tejidos de los pacientes. ‘ cuerpos. Esta actualización a los escáneres 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 esta futura exploración por TEP será la misma que ahora. La experiencia de los equipos médicos al realizar la exploración también será la misma, solo que con más información útil al final ”, dijo el médico de medicina nuclear Dr. Miwako Takahashi del NIRS, coautor 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. Las empresas de dispositivos médicos pueden aplicar este método de manera muy económica, espero ”, dijo el profesor asistente Kengo Shibuya de la Escuela de Graduados de Artes y Ciencias de la Universidad de Tokio, primer autor de la publicación.
Exploraciones PET
Los positrones que dan nombre a las exploraciones PET son las formas de electrones de antimateria con carga positiva. Debido a su pequeño tamaño y masa extremadamente baja, los positrones no representan ningún peligro en aplicaciones médicas. Los positrones producen rayos gamma, que son ondas electromagnéticas similares a los rayos X, pero con longitudes de onda más cortas.
Investigadores de la Universidad de Tokio y del Instituto Nacional de Ciencias Radiológicas han diseñado una forma de detectar la concentración absoluta de oxígeno en el cuerpo de los pacientes, lo que puede conducir a un tratamiento del cáncer más eficaz. Nombres de investigadores de izquierda a derecha: Taiga Yamaya, Miwako Takahashi, Fumihiko Nishikido y Kengo Shibuya. Crédito: Taiga Yamaya, CC BY 4.0
Al recibir una tomografía por emisión de positrones (PET), un paciente recibe una pequeña cantidad de líquido muy débilmente radiactivo, a menudo compuesto por moléculas de azúcar modificadas, generalmente inyectadas en su sangre. El líquido circula durante un breve período de tiempo. Las diferencias en el flujo sanguíneo o el metabolismo afectan la forma en que se distribuye la radiactividad. Luego, el paciente se acuesta en un escáner PET grande con forma de tubo. A medida que el líquido radiactivo emite positrones que luego se descomponen en rayos gamma, los anillos de detectores de rayos gamma mapean las ubicaciones de los rayos gamma emitidos por el cuerpo del paciente.
Los médicos ya solicitan escáneres PET cuando necesitan información no solo sobre la estructura, sino también sobre la función metabólica de los tejidos dentro del cuerpo. La detección de la concentración de oxígeno utilizando el mismo escaneo PET agregaría otra capa de información útil sobre la función del cuerpo.
Concentración de oxígeno medida en nanosegundos
La vida de un positrón es una elección de dos caminos muy cortos, los cuales comienzan cuando un positrón “nace” cuando es liberado del líquido radioactivo de exploración PET. En el camino más corto, el positrón choca inmediatamente con un electrón y produce rayos gamma. En el camino un poco más largo, el positrón se transforma inicialmente en otro tipo de partícula llamada positronio, que luego se desintegra en rayos gamma. De cualquier manera, la vida útil de un positrón dentro de un cuerpo humano no es superior a 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 con un temporizador para que podamos mapear las concentraciones de oxígeno dentro de los cuerpos de los pacientes ”, dijo Shibuya.
Shibuya y sus colegas desarrollaron un gráfico de esperanza de vida para positrones utilizando un escáner PET miniaturizado para medir el tiempo de formación y desintegración de positrones en líquidos con concentraciones conocidas de oxígeno.
Los nuevos resultados del equipo de investigación revelan que cuando la concentración de oxígeno es alta, es más probable que haya una ruta más corta. Los investigadores predicen que su técnica podrá detectar la concentración absoluta de oxígeno en cualquier tejido del cuerpo de un paciente en función de la vida útil de los positrones durante una exploración PET.
Es posible detectar la vida útil de los positrones utilizando los mismos detectores de rayos gamma que ya utilizan los escaneos PET. El equipo de investigación predice que la mayor parte del trabajo para transferir esta investigación del laboratorio a la cabecera de la cama se centrará en actualizar los detectores de rayos gamma y el software para que los detectores de rayos gamma puedan registrar no solo la ubicación, sino también datos precisos de la hora.
“El desarrollo de instrumentos no debería representar un aumento de costos”, dijo el profesor Taiga Yamaya, coautor de la publicación de investigación y líder del Grupo de Física de Imágenes en el NIRS.
Exploraciones PET mejoradas para un tratamiento del cáncer más eficaz
Los expertos médicos han entendido desde hace mucho tiempo que las concentraciones bajas de oxígeno en los tumores pueden impedir el tratamiento del cáncer por dos razones: Primero, un nivel bajo de oxígeno en un tumor a menudo es causado por un flujo sanguíneo insuficiente, que es más común en tumores agresivos de rápido crecimiento que son más duros. para tratar. En segundo lugar, los niveles bajos de oxígeno hacen que la radiación sea menos eficaz porque los efectos deseados del tratamiento con radiación para matar las células cancerosas se logran en parte por la energía de la radiación que convierte el oxígeno presente en las células en ADN-datos de radicales libres.
Por lo tanto, la detección de la concentración de oxígeno en los tejidos corporales informaría a los expertos médicos cómo atacar de manera más eficaz los tumores dentro de los pacientes.
“Nos imaginamos dirigir un tratamiento de radiación más intenso a las áreas agresivas de baja concentración de oxígeno de un tumor y dirigir el tratamiento de menor intensidad a otras áreas del mismo tumor para brindar a los pacientes mejores resultados y menos efectos secundarios”, dijo Takahashi.
Shibuya dice que el equipo de investigadores se inspiró para poner en práctica un modelo teórico sobre la capacidad de los positrones para revelar la concentración de oxígeno publicado el año pasado por investigadores en Polonia. El proyecto pasó del concepto a la publicación en solo unos meses incluso con COVID-19 restricciones relacionadas con la pandemia.
Shibuya y sus colegas ahora apuntan a expandir su trabajo para encontrar cualquier otro detalle médico que pueda ser revelado durante la vida útil de un positrón.
Referencia: “Capacidad de detección de oxígeno del positronio átomo para la obtención de imágenes de hipoxia tumoral ”por Kengo Shibuya, Haruo Saito, Fumihiko Nishikido, Miwako Takahashi y Taiga Yamaya, 1 de octubre de 2020, Física de la comunicación.
DOI: 10.1038 / s42005-020-00440-z
