¿En qué consiste una Tomografía por Emisión de Positrones (TEP)?

Hace algún tiempo que no publicamos ninguna entrada de Ahora que lo pienso…, la serie de respuestas a las preguntas que nos planteáis. Hoy voy a tratar de responder a la pregunta que plantea Gabriel en la entrada acerca del positrón:

Podrías comentar algo de la TEP? (tomografía por emisión de positrones). Tal y como lo cuentas parece que el positrón es una partícula “teórica” pero parece ser que se usa en la realidad. Si un cerebro positrónico es una bomba de relojería… no son los hospitales que usan esta prueba bombas de relojería también? (evidentemente no, pero por qué?)

Es un asunto interesante porque pone de manifiesto que todas estas entradas de Esas maravillosas partículas no son elucubraciones inanes de un puñado de físicos sin nada mejor que hacer. Muchos de los descubrimientos realizados en física de partículas se utilizan en la vida real para fines que, muchas veces, incluso salvan vidas. ¿Quieres saber qué es realmente una TEP? ¿Sabes que, si te han hecho una, has tenido antimateria en tu interior, que se ha aniquilado con la materia como la “bomba de relojería” que menciona Gabriel? ¿Qué tienen que ver los positrones con el “hambre de glucosa” de las células cancerosas? Si te parece intrigante, sigue leyendo.

Este artículo, desde luego, parte de la base de que sabes lo que es un positrón y la desintegración beta. Si no lo sabes, deberías leer las entradas acerca del positrón y el neutrón antes de seguir, o tal vez te cueste entender el texto.

Como recordarás de la entrada sobre el neutrón, un neutrón libre acaba desintegrándose en un protón, un electrón y un antineutrino mediante la desintegración beta. Sin embargo, existe otra forma de desintegración beta análoga pero en la que no se emite un electrón sino un positrón. Podríamos decir que, en vez de ser una desintegración beta “negativa”, es la desintegración beta “positiva”. De hecho, a veces se la representa como desintegración β+.

En la desintegración beta positiva no se parte de un neutrón, sino de un protón, y se obtienen un neutrón, un positrón (en vez del electrón) y un neutrino. Es algo así como el “negativo fotográfico” de una desintegración beta “normal”. Aunque no es tan frecuente como la desintegración beta del neutrón, se produce constantemente en átomos inestables, por ejemplo en isótopos radiactivos de varios elementos:

Probablemente conoces el caso de muchos isótopos que tienen “demasiados neutrones”. Por ejemplo, el carbono-14 tiene dos neutrones de más (la forma estable es el carbono-12), de modo que mediante la desintegración beta emite electrones y antineutrinos para convertir uno de los neutrones “extra” en un protón aumentando su número atómico, convirtiéndose así en nitrógeno-14, que es estable.

Pero también existen isótopos que “no tienen suficientes neutrones” y tampoco son estables. Por ejemplo, el carbono-11. El problema del carbono-11 es que si convierte neutrones en protones tampoco es estable: ¡tiene un defecto de neutrones! La solución energética es entonces la desintegración beta positiva: convertir protones en neutrones para disminuir su número atómico. Entonces se convierte en boro-11, que sí es estable.

Posiblemente has oído hablar del primer proceso, porque el carbono-14 tiene una vida media muy larga (de casi 6.000 años) y se usa mucho para datar muestras antiguas. Sin embargo, el segundo proceso no es tan conocido porque el carbono-11 tiene una vida media bastante corta: ¡sólo 20 minutos! Eso quiere decir que, en la naturaleza, el carbono-11 no existe en casi ningún sitio, pues una vez que se forma desaparece en menos de media hora. También significa que, en principio, no tiene mucho sentido crear artificialmente carbono-11, pues va a desaparecer muy rápido… salvo que se desee precisamente eso: que se desintegre y emita positrones.

Recuerda la entrada del positrón: un positrón rodeado de átomos “normales” (con protones y electrones) no dura mucho, puesto que en cuanto se encuentra con un electrón –y en la materia normal está completamente rodeado de ellos, pues forman las capas exteriores de los átomos– se desintegra con él creando dos fotones muy energéticos. Dicho de otro modo, el electrón y el positrón se desintegran y convierten toda su masa en energía, que se emite como radiación (los dos fotones).

Pero lo interesante es que si el electrón y el positrón, cuando se desintegran mutuamente, no estaban moviéndose en ninguna dirección determinada, los dos fotones deben salir despedidos en sentidos opuestos. Si no, no se conservaría la cantidad de movimiento. Es como si tú y un amigo estáis en una pista de hielo parados, y uno de vosotros empuja al otro: saldréis los dos, necesariamente, en sentidos contrarios (no vais a formar, por ejemplo, un ángulo recto). Recuerda esto para el final del artículo, porque es importante.

¿Tienes claro el proceso teórico? Vayamos pues al modo en el que toda esta teoría se lleva a la práctica. En primer lugar, se utiliza un pequeño acelerador de partículas (un ciclotrón) para producir isótopos inestables de diversos elementos, que tengan un defecto de neutrones. He hablado antes del carbono-11, pero también se utilizan otros de tiempos de vida similares: el nitrógeno-13 (unos 10 minutos), el oxígeno-15 (unos dos minutos) o el flúor-18 (unas dos horas).

A continuación se obtienen químicamente compuestos que utilizan estos elementos: agua, glucosa, amoníaco, etc. Claro, no son agua, glucosa o amoníaco normales: en vez de tener átomos estables tienen isótopos inestables. Al cabo de cierto tiempo se desintegrarán, y eso es precisamente lo que se pretende – que se conviertan en emisores de positrones mientras van convirtiéndose en átomos estables.

Se introduce en el torrente sanguíneo del paciente el compuesto inestable (hay que hacerlo relativamente rápido o se habrá desintegrado antes de que llegue a su destino), y se espera a que la sangre lo transporte a la zona del cuerpo que se quiere examinar. Aquí está uno de los trucos de la TEP: dependiendo de lo que se quiera ver, se utiliza un compuesto u otro. Por ejemplo, las células cancerosas de la mayor parte de los tumores consumen glucosa a un ritmo mayor del normal, por lo que para ver tumores o posibles metástasis se fabrica flúor-18 y se crea a partir de él fluorodesoxiglucosa (C6H11FO5). Las células la absorben como si fuera glucosa normal – cuanto más consumo de glucosa, más tendrán en su interior.

 

Llegamos por fin al núcleo de la cuestión: se introduce a la persona en el detector, que tiene uno o más anillos capaces de detectar el impacto de fotones muy energéticos. Cuando los átomos inestables empiezan a desintegrarse, emiten positrones dentro de las células… pero las células están hechas de materia normal, con multitud de electrones rodeando todos los átomos. El positrón creado, en un abrir y cerrar de ojos, choca con un electrón y ambas partículas se desintegran, produciendo dos fotones con muchísima energía (radiación gamma). Pero recuerda lo que dije antes sobre los dos fotones: deben salir en sentidos opuestos; sus trayectorias forman más o menos 180°. Por cierto, esto significa que si has sido objeto de una tomografía de este tipo has tenido antimateria en el interior de tu cuerpo, en forma de positrones, aunque sea durante unos milisegundos.

De modo que el anillo que rodea al paciente detecta dos fotones prácticamente a la vez (la luz recorre esa distancia en tiempos pequeñísimos), y uniendo ambos impactos con una línea imaginaria tenemos las posibles localizaciones del positrón responsable. Como los átomos están desintegrándose todo el tiempo, los anillos recogen pares de fotones continuamente, y cruzando las líneas imaginarias que unen cada par de fotones pueden calcular no ya una línea, sino un punto: cada par de líneas que se cruce (o casi se cruce) identifica células emisoras de positrones, es decir, células “marcadas” con la sustancia inestable. Aquí tienes un diagrama que debería aclarar lo que intento decir (muestra la detección de un par de fotones):

 

Así, procesando toda la información que reciben los anillos que rodean a la persona mediante un ordenador, pueden localizarse muchos de los átomos inestables originales según se van desintegrando. Cuantos más positrones hayan sido emitidos en un lugar determinado (es decir, cuantos más pares de fotones hayan definido líneas rectas que se corten en ese lugar) más cantidad de sustancia marcadora ha sido absorbida por esas células. Al final se representa la intensidad de emisión de positrones en cada punto con una gradación de colores, como en este ejemplo de una TEP del cerebro:

 

La emisión de positrones es mínima en el color azul y máxima en el color rojo. Puedes ver que el objeto de una TEP no es tanto “ver” el interior del cuerpo –para eso suele usarse una Tomografía Axial Computarizada (TAC), aunque de eso hablaremos en alguna otra entrada, si ésta no os aburre soberanamente–, sino para detectar qué zonas del cuerpo absorben determinados compuestos.

Por ejemplo, he mencionado antes que las células cancerosas consumen glucosa, normalmente, a mayor velocidad que las normales, de modo que se utilizan estas tomografías para pacientes con la enfermedad de Hodgkin, otros linfomas, cánceres de pulmón, etc. De hecho, el 90% de las TEPtienen que ver con la oncología. Pero no es el único asunto en el que son útiles: puesto que las células activas consumen más glucosa que las que no lo están tanto (o están muertas), se utiliza también para ayudar en el diagnóstico de la enfermedad de Alzheimer: el consumo de glucosa permite realizar un mapa del consumo de sangre en el cerebro.

Incluso se utiliza en farmacología: se “marca” un nuevo medicamento con algún átomo inestable, y se inyecta en animales. Al cabo del tiempo es posible realizar una TEP del animal y saber qué órganos y tejidos han absorbido el medicamento y cuáles no, y con qué velocidad se elimina de los tejidos. Sí, no es demasiado saludable para el animal (especialmente por razones que veremos en un momento), pero el sistema “tradicional” era inyectar el medicamento, esperar, y luego diseccionar al animal para ver directamente lo que había pasado.

Actualmente suele utilizarse este tipo de tomografías combinándolas con TAC, para obtener tanto una imagen de la zona del cuerpo en cuestión como un “mapa” de consumo de glucosa u otra sustancia “marcada” mediante la TEP. La TEP no tiene tanta resolución como la TAC, pero tiene la ventaja de detectar tejidos y órganos con un comportamiento concreto.

Todo esto es muy útil, pero tiene varios problemas – unos más serios que otros. En primer lugar, fabricar isótopos radiactivos es caro, y como has visto la vida media de éstos en particular es muy pequeña: ¡hay que usarlos antes de un par de horas como mucho, y algunos antes de minutos! Por eso hace falta que el ciclotrón que los produce esté, o bien en el propio hospital, o relativamente cerca. El precio no es desdeñable: ronda los 2500$, de modo que en algunos lugares la sanidad pública no los financia.

El segundo problema es algo en lo que seguro que has pensado ya: esto de tener antimateria en el cuerpo que emite fotones de radiación gamma dentro de ti no es demasiado saludable si sucede a menudo. Una TEP supone una dosis de radiación ionizante de unos 7 milisieverts (mSv). Para que te hagas una idea, una persona normal recibe una dosis anual de entre 2 y 3 mSv por la radiación de fondo en el entorno. Ésa es la razón (además del precio, para qué vamos a engañarnos) por la que sólo se realizan cuando son estrictamente necesarias – no hay por qué preocuparse por recibir 7 mSv, la cuestión es que si te hicieran TEPs todos los días, al final tendrías muchas papeletas para desarrollar algún tipo de cáncer.

Espero, Gabriel, que esto resuelva todas tus dudas sobre la TEP, y que los demás no os hayáis aburrido como ostras, ¡menuda longitud de artículo para responder a una pregunta! Pero bueno, no está de más recordar que todo esto del Modelo Estándar y cosas parecidas no sólo sirven para satisfacer nuestra curiosidad sobre el Universo.

 

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com/