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Fuente: La Verdad (Ababol)

En la hadronterapia (técnica disponible en España desde finales de 2019), los rayos X usados normalmente para tratar distintos tipos de cáncer, mediante radioterapia, se reemplazan por haces de iones acelerados –normalmente protones, aunque también iones de carbono, provenientes de aceleradores de partículas con velocidades relativamente próximas a la velocidad de la luz–. Estos proyectiles penetran en los tejidos hasta frenarse en la zona del tumor, depositando allí su energía de forma selectiva, como si se tratara de una especie de cañonazos atómicos. Esto ayuda a proteger los tejidos sanos que rodean el tumor, lo cual es muy importante para tratar, por ejemplo, tumores cerca del cerebro o para pacientes pediátricos.

Recientemente, la ciencia se ha fijado en el uso de nanopartículas hechas de metales o sus óxidos para mejorar esta terapia. Las nanopartículas pueden recubrirse de moléculas orgánicas que necesitan las células tumorales para crecer y reproducirse, pudiendo de esta manera dirigirse de forma selectiva al tumor. Al irradiar con iones, las nanopartículas aumentan el efecto de la terapia justo donde hace falta, pudiendo reducirse la dosis de radiación total suministrada al paciente. Estas nanopartículas se podrían describir como una especie de caramelo envenado para el tumor.

Pablo de Vera Gomis, investigador del grupo Materia Condensada de la Universidad de Murcia, ha investigado con el objetivo de entender mejor estos efectos desde un punto de vista físico fundamental. Lo hizo a través del proyecto NanoEnHanCeMent, que lideró gracias al apoyo del programa europeo Marie Curie Individual Fellowship en el Centro Europeo sobre Estudios Teóricos en Física Nuclear y Áreas Relacionadas (ECT), en Trento (Italia), y que tuvo que finalizar antes de tiempo al encontrarse con una oportunidad que pocos científicos disfruten en la actualidad: pudo reincorporarse al Departamento de Física de la Universidad de Murcia, donde ahora trabaja. No obstante, se trata la línea de trabajo en la que está centrado.

Asegura que «a día de hoy, aún no se entienden muy bien los mecanismos físico-químicos que justifican estos efectos beneficiosos de las nanopartículas en la hadronterapia. El objetivo del proyecto es tratar de entender mejor, mediante simulaciones por ordenador, los posibles eventos físicos involucrados en la interacción de los haces de iones con las nanopartículas y su entorno biológico, que pudieran ayudar a explicar sus efectos sobre las células tumorales».

No en vano, para poder llegar a utilizar estas nanopartículas en hadronterapia y optimizar su diseño, primero hace falta entender por qué producen estos efectos. De hecho, existen muchos grupos de investigación haciendo experimentos, físicos, químicos y clínicos, con este fin. Otros grupos, como el de la UMU, aborda el problema desde un punto de vista teórico. «Si comprendemos mejor los procesos físicos que pueden dar lugar al efecto de estas nanopartículas en combinación con la irradiación con haces de iones, y si llegamos a ser capaces de simular estos procesos en el ordenador, podremos orientar a los científicos experimentales y clínicos, o tratar de explicar sus resultados obtenidos en el laboratorio, lo cual ayudaría en su aplicación práctica», apunta de Vera Gomis.

Hipótesis

En los últimos años, se ha sugerido que el origen de los efectos biológicos de estas nanopartículas podría estar en que, cuando los iones interactúan con ellas, les arrancan un gran número de electrones, llamados electrones secundarios, que actúan como una especie de «metralla subatómica». Estos electrones pueden propagarse en las células a escala nanométrica y dañar gravemente el ADN, lo que propicia la destrucción de las células tumorales en las que se encuentran estas nanopartículas. Se cree que las nanopartículas podrían producir grandes cantidades de estos electrones, debido en parte a su gran proporción de superficie con respecto a su volumen: los iones y electrones secundarios podrían excitar fácilmente los electrones presentes en la superficie de las nanopartículas (excitaciones superficiales), produciendo un efecto cascada en la emisión de electrones secundarios que maximicen el dañado de las células tumorales.

El equipo de la Universidad de Murcia, en colaboración con la Universidad de Alicante (UA) y el Centro Europeo de Italia, cuentan con experiencia en tratar, mediante teoría y simulaciones por ordenador (basadas en el llamado método Montecarlo para el transporte de la radiación) la interacción de iones y electrones acelerados con materiales, tanto biológicos como inorgánicos. Según Pablo de Vera Gomis, su hipótesis de partida consistía en explotar y extender estos métodos teóricos para intentar describir mejor cómo se generan los electrones secundarios en estos materiales y cómo se propagan.

En los últimos años, esta asociación de investigadores ha logrado resultados de gran relevancia. Así, la UMU y la UA han desarrollando modelos teóricos para describir las excitaciones electrónicas producidas por iones y electrones acelerados en sólidos y líquidos. «El año pasado conseguimos extender estos modelos para describir la interacción de electrones secundarios de baja energía –los más difíciles de simular y los que más dañado biológico provocan– con los componentes del ADN, proporcionando resultados muy prometedores en comparación con datos experimentales», dice De Vera Gomis. La mayoría de simulaciones computacionales actuales sólo pueden aproximar los tejidos biológicos como agua líquida, y contar con estos nuevos modelos facilitará el desarrollo de simulaciones más detalladas.

Por otro lado, han conseguido avanzar en la interacción de electrones de baja energía con metales, donde han encontrado posibles indicios de la importancia de las excitaciones superficiales que pueden observarse también en el laboratorio.

Del mismo modo, la colaboración con el ECT está contribuyendo de forma importante al desarrollo de cálculos precisos basados en la mecánica cuántica, que permiten describir de forma más exacta las interacciones de electrones de baja energía en varios materiales, lo cual contribuye a realizar simulaciones Montecarlo más precisas del transporte de la radiación. Además, esperan ser capaces de combinar estos avances en un nuevo proyecto que ya han planteado.

Aunque desde la UMU y la UA se contribuye a este campo desde la física fundamental, esta temática es muy interdisciplinar y aplicada. En ella participan investigadores tanto experimentales como clínicos, físicos, químicos, biólogos y médicos, con los que intentamos colabora. En Trento (Italia), donde ha realizado su estancia postdoctoral Marie Curie, existe un centro de hadronterapia con haces de protones desde 2014. En palabras del líder del proyecto: «Intentamos mantener contacto con los expertos mucho más aplicados de este y otros centros. De hecho, el próximo septiembre, Rafael García Molina y yo mismo organizamos en ECT, junto con varios científicos de reconocido prestigio internacional, el congreso titulado 'From hadrons to therapy: fundamental physicsdriving new medical advances (Desde los hadrones a la terapia: la física fundamental guiando nuevos avances médicos)'. Allí participarán físicos teóricos y experimentales, así como físicos médicos y oncólogos, incluyendo expertos del centro de protonterapia de Trento. Esperamos que este encuentro favorezca un mejor entendimiento no sólo de estos problemas, sino también entre las personas que intentamos entenderlos, de nuestras diversas metodologías y el distinto lenguaje que utilizamos los investigadores desde diferentes especialidades, que contribuya al avance de este campo».

Continuidad

El objetivo del grupo de investigación en Materia Condensada es continuar profundizando en este campo. Junto con Rafael García Molina e Isabel Abril, Pablo de Vera Gomis ha solicitado recientemente su primer proyecto como investigador principal del Plan Estatal del Ministerio de Ciencia e Innovación (titulado 'Biodañado en la nanoescala inducido por iones rápidos: hacia una modelización y simulación detalladas'). De ser financiado, en este nuevo proyecto el equipo profundizará en la simulación por ordenador de las interacciones de iones y electrones energéticos con biomateriales en la nanoescala.

Además de perfeccionar el estudio de la generación y el transporte de electrones secundarios en biomateriales y metales y sus óxidos, pretendemos abordar de una manera detallada cómo estas partículas interaccionan con el ADN y lo dañan, lo cual está detrás de la gran efectividad de estos nuevos tratamientos.