Descubrir que la materia, en efecto, está constituida por átomos, que estos no son indivisibles y que existen una antimateria que se aniquila mutuamente con la materia ha sido un viaje de descubrimientos asombrosos que nos ha llevado al punto en que hoy podemos diagnosticar problemas cardíacos, metabólicos y cánceres en estado temprano usando antimateria. Vamos a dar un pequeño tour por la historia de la tomografía por emisión de positrones.

Por Jorge Román

Uno de los grandes problemas de la medicina es que no hay forma sencilla de estudiar lo que ocurre al interior de un cuerpo. Diseccionar cadáveres es una cosa, pero estudiar tejido vivo sin hacerle daño a una persona es algo que solo pudo hacerse por primera vez a fines del siglo XIX, cuando se inventó la radiografía (Bercovich y Javitt, 2018). La radiografía revolucionó la medicina: el aparato creado por Wilhelm Conrad Roentgen en 1895 fue rápidamente replicado en laboratorios de todo el mundo y se usó, entre otras cosas, para examinar fracturas de hueso. Solo el primer año después del descubrimiento de los rayos X, se publicaron 1044 artículos científicos sobre el tema (Bercovich y Javitt, 2018). Los descubrimientos científicos y avances técnicos del siglo XX permitieron desarrollar nuevas formas de imágenes médicas, como la tomografía computarizada, la imagen por resonancia magnética o el ultrasonido. Y, en este ámbito, la física de partículas también ha hecho sus aportes.

Imagen 1: tomografía por emisión de positrones de dos cerebros: uno sano y otro afectado por un estado temprano de la enfermedad de Alzheimer. Los colores blanco y rojo representan las áreas del cerebro con mayor tasa de  consumo de glucosa, mientras que las verdes y azules representan áreas con bajo metabolismo. Créditos: Institut Douglas. Fuente: Flickr.com

La imagen 1, en la que se compara el metabolismo de un cerebro sano contra un cerebro afectado por una enfermedad de Alzheimer temprana, se obtuvo a través de la desintegración de materia y antimateria. ¿Cómo es eso posible?

Imagen 1: tomografía por emisión de positrones de dos cerebros: uno sano y otro afectado por un estado temprano de la enfermedad de Alzheimer. Los colores blanco y rojo representan las áreas del cerebro con mayor tasa de  consumo de glucosa, mientras que las verdes y azules representan áreas con bajo metabolismo. Créditos: Institut Douglas. Fuente: Flickr.com

La imagen 1, en la que se compara el metabolismo de un cerebro sano contra un cerebro afectado por una enfermedad de Alzheimer temprana, se obtuvo a través de la desintegración de materia y antimateria. ¿Cómo es eso posible?

Para entenderlo, debemos empezar por lo básico.

Ni los cuatro elementos ni un budín de pasas

Hace unos 2.200 años, los filósofos griegos Leucipo y Demócrito propusieron que el universo está compuesto de solo dos cosas: átomos y el vacío que se encuentra entre los átomos. Llegaron a esa conclusión luego de realizar un ejercicio mental: Demócrito se imaginó cortando una piedra por la mitad una, dos, millones de veces, hasta que llegaría un momento en el que no podría seguir cortando, porque se habría encontrado con un átomo. Los átomos, de acuerdo con la explicación de Demócrito, son la unidad más pequeña de la materia, son indivisibles, eternos e indestructibles. Todo estaría compuesto de átomos, aunque estos diferirían en forma, ordenamiento, posición y magnitud, lo que explicaría la diferencia entre algunos objetos y otros. Por ejemplo, los átomos del agua serían suaves y redondos (por ello el agua sería líquida), mientras que los átomos del hierro serían ásperos y con puntas, lo que explicaría por qué forman un cuerpo sólido (Duignan, 2015). Por supuesto, Demócrito afirmaba todo esto sin pruebas, simplemente por especulación y ejercicio de razonamiento. Tampoco era su culpa: en el siglo V antes de nuestra era no existían ni si quiera los microscopios ópticos. Pero de todas formas sorprende que, aunque errados, sus planteamientos se acercaran tanto a lo que hoy comprendemos de la física. Al menos, mucho más que los de Empédocles y Aristóteles, quienes afirmaban que la materia está compuesta por agua, fuego, aire y tierra, idea que perduró por siglos y que incluso ha inspirado series de animación.
Capitán, avatar, lamento informarles que no están hechos de los «cuatro elementos», sino de átomos (y de las partículas subatómicas que los conforman). Créditos: izquierda, Mark Anderson (fuente: Flickr.com); derecha, Net Sama (fuente: Flickr.com). Todo cambiaría en 1897, cuando el físico J. J. Thomson descubrió el electrón. Este descubrimiento cambió para siempre la idea de que los átomos son partículas homogéneas: de hecho, los átomos tienen una estructura muy compleja. Y las limitaciones tecnológicas de los microscopios (incluso los más potentes) impiden el poder estudiar esta estructura directamente, por lo que se desarrollaron muchos modelos distintos que pudieran explicar las propiedades de las partículas que forman los átomos. De hecho, el mismo Thomson propuso un modelo que visualizaba el átomo como si fuese un budín con pasas incrustadas (Trefil et al., 2009).

Para entenderlo, debemos empezar por lo básico.

Ni los cuatro elementos ni un budín de pasas

Hace unos 2.200 años, los filósofos griegos Leucipo y Demócrito propusieron que el universo está compuesto de solo dos cosas: átomos y el vacío que se encuentra entre los átomos. Llegaron a esa conclusión luego de realizar un ejercicio mental: Demócrito se imaginó cortando una piedra por la mitad una, dos, millones de veces, hasta que llegaría un momento en el que no podría seguir cortando, porque se habría encontrado con un átomo. Los átomos, de acuerdo con la explicación de Demócrito, son la unidad más pequeña de la materia, son indivisibles, eternos e indestructibles. Todo estaría compuesto de átomos, aunque estos diferirían en forma, ordenamiento, posición y magnitud, lo que explicaría la diferencia entre algunos objetos y otros. Por ejemplo, los átomos del agua serían suaves y redondos (por ello el agua sería líquida), mientras que los átomos del hierro serían ásperos y con puntas, lo que explicaría por qué forman un cuerpo sólido (Duignan, 2015). Por supuesto, Demócrito afirmaba todo esto sin pruebas, simplemente por especulación y ejercicio de razonamiento. Tampoco era su culpa: en el siglo V antes de nuestra era no existían ni si quiera los microscopios ópticos. Pero de todas formas sorprende que, aunque errados, sus planteamientos se acercaran tanto a lo que hoy comprendemos de la física. Al menos, mucho más que los de Empédocles y Aristóteles, quienes afirmaban que la materia está compuesta por agua, fuego, aire y tierra, idea que perduró por siglos y que incluso ha inspirado series de animación.
Capitán, avatar, lamento informarles que no están hechos de los «cuatro elementos», sino de átomos (y de las partículas subatómicas que los conforman). Créditos: izquierda, Mark Anderson (fuente: Flickr.com); derecha, Net Sama (fuente: Flickr.com). Todo cambiaría en 1897, cuando el físico J. J. Thomson descubrió el electrón. Este descubrimiento cambió para siempre la idea de que los átomos son partículas homogéneas: de hecho, los átomos tienen una estructura muy compleja. Y las limitaciones tecnológicas de los microscopios (incluso los más potentes) impiden el poder estudiar esta estructura directamente, por lo que se desarrollaron muchos modelos distintos que pudieran explicar las propiedades de las partículas que forman los átomos. De hecho, el mismo Thomson propuso un modelo que visualizaba el átomo como si fuese un budín con pasas incrustadas (Trefil et al., 2009).
El modelo atómico de J. J. Thomson (1904): el físico sugirió que los átomos eran esferas con carga eléctrica positiva sobre la cual se distribuían electrones (de carga negativa) en suficiente número como para compensar la carga del átomo. En verdad parecía como un budín (o un queque) con pasas incrustadas. Por supuesto, el modelo se descartó rápidamente, ya que presentaba numerosas inconsistencias con lo que se observaba. Fue sucedido por los modelos atómicos de Rutherford (1911) y luego el de Bohr (1913), que plantearon la existencia de un núcleo de protones con los electrones orbitando a su alrededor. Pero los budines de pasas nunca volvieron a ser vistos de la misma forma. Créditos de la imagen: Fastfission (dominio público). Fuente: Wikimedia Commons Pero, ¿por qué nos damos este paseo por la historia del estudio del átomo y las partículas que lo conforman? Porque esto nos llevará a donde se unen la física y la medicina: en la antimateria.

Positrones: más que un cliché de ciencia ficción

En la primera mitad del siglo XX, el físico inglés Paul A. M. Dirac determinó a través de sus estudios que debía existir una partícula idéntica al electrón en cada aspecto, pero con una carga eléctrica positiva en lugar de negativa (Sutton y Gregersen, 2011). Esta partícula, bautizada como «positrón», no podía ser descubierta en materia ordinaria y estable. Pero en 1932, al estudiar la interacción de los rayos cósmicos con la materia, se confirmó de manera experimental la existencia del positrón (Sutton y Gregersen, 2011). Como buenos antagonistas, la materia y la antimateria no pueden coexistir muy cerca la una de la otra por más de una fracción de segundo: si se encuentran, se aniquilan mutuamente. La colisión de materia y antimateria transforma su masa en energía, lo que crea dos fotones que escapan en direcciones opuestas en forma de rayos gamma (Sutton y Gregersen, 2011). Recordemos que los rayos gamma son un tipo de radiación electromagnética de alta energía y, por lo tanto, están constituidos por fotones. Y es aquí donde la cosa se pone interesante para la medicina: los rayos gamma, a diferencia de los fotones del espectro de la luz visible, son capaces de atravesar cuerpos sólidos, por lo que su uso en medicina parece ser algo obvio. Es así como nació el concepto de la tomografía por emisión de positrones (PET por su sigla en inglés). El principio es el siguiente: si se emiten simultáneamente un electrón y un positrón, estos se aniquilan y se emiten dos haces de rayos gamma en direcciones opuestas. Una matriz de detectores registra la llegada de los rayos gamma: con esta información, se puede realizar un mapa de la actividad metabólica en los órganos (Bercovich y Javitt, 2018). A principios de la década de 1950 se pudo utilizar este principio para localizar tumores cerebrales (Nutt, 2002). En la década de 1960 se desarrollaron las primeras técnicas de reconstrucción de imagen para realizar tomografías (Nutt, 2002) y James Robertson creó el primer escáner PET de plano único (Bercovich y Javitt, 2018). Sin embargo, el primer tomógrafo por emisión de positrones para el estudio del cuerpo humano que reconstruía imágenes a partir de los fotones detectados no estuvo operativo hasta 1974. Las primeras imágenes que obtuvieron, sin embargo, parecen más una mancha de cloro en ropa negra que órganos humanos.
Las primeras imágenes tomadas por tomografía de emisión de positrones publicadas. Este tomógrafo fue producto del trabajo conjunto de Mike Phelps y Ed Hoffman junto a sus colegas de la Universidad de Washington. Fuente: Nutt, 2002 Pese a ello, el mero hecho de conseguir estas imágenes fue un gran triunfo de la física, la computación y la tecnología: además de hacer lo suyo (producir la aniquilación de materia y antimateria y detectar los rayos gamma resultantes), este tomógrafo de 1974 contaba con un computador propio que controlaba el movimiento de sus partes y reconstruía la imagen a partir de los datos captados por sus detectores.
Pero en la década de 1970 había limitaciones tecnológicas evidentes: no solo los computadores tenían una capacidad de procesamiento de datos muy baja comparada con la actualidad. En ese entonces, un tomógrafo por emisión de positrones contaba como máximo con 48 matrices de detectores, mientras que los tomógrafos para investigación de alta resolución de principios del siglo XXI podían tener alrededor de 120.000 matrices de detectores (Nutt, 2002).

Una imagen reciente de una tomografía por emisión de positrones combinada con una tomografía computarizada. Para realizar este tipo de estudios, la persona recibe una inyección con un radiofármaco que permite monitorear el funcionamiento del órgano específico que se desea analizar. La radiación que recibe la persona es mínima y el procedimiento es muy seguro, aunque, como suele ocurrir con casi todas las imágenes de medicina nuclear, se desaconseja en personas embarazadas. Fuente de la imagen: Fondo Nacional de Recursos de Uruguay.

En la actualidad, la tomografía por emisión de positrones cumple una función fundamental en el diagnóstico médico, ya que permiten evaluar el metabolismo y qué tan bien están funcionando los órganos y tejidos. Usada en combinación con otras exploraciones, permite diagnosticar varios tipos de cáncer en su etapa temprana, enfermedades cardíacas, gastrointestinales, endocrinas y problemas neurológicos, entre otros (Fondo Nacional de Recursos, s/f; RadiologyInfo.org, 2021). Es decir, es una técnica que permite diagnosticar diversas anomalías del cuerpo aniquilando materia y antimateria en nuestro interior. Ni la tripulación de la Enterprise se atrevió a tanto.

La antimateria no solo sirve para impulsar motores warp.

La antimateria no solo sirve para impulsar motores warp.

La ciencia no paga al día, pero sí con intereses

Algo que debemos tener claro sobre estos avances técnicos que combinan física, medicina y computación es que no ocurren en un par de años. Como vimos en nuestro recorrido sobre la historia del modelo atómico, el descubrimiento del electrón, la propuesta teórica de la antimateria y, finalmente, la creación de un tomógrafo que aprovecha la aniquilación de materia y antimateria para diagnosticar tumores tempranos, pueden pasar décadas (y hasta más de medio siglo) antes de que estas investigaciones se conviertan en un artefacto útil para la vida cotidiana (Wagner, 1998; Nutt, 2002; Bercovich y Javitt, 2018). Pensar tan a largo plazo es algo que nos resulta difícil cuando vemos que hay gente sin hogar, sin acceso a buena alimentación ni a atención médica, y que parte de los escasos recursos del Estado se destinan a aceleradores de partículas y detectores de muones, elementos tecnológicos que no parecen tener ninguna utilidad hoy. Pero miremos a largo plazo. Pensemos en lo diferente que era la medicina de principios del siglo XX comparada con la de la tercera década del siglo XXI. Pensemos en cómo sería la medicina sin radiografías, sin imágenes médicas, ni tomografías, ni resonancias magnéticas. Pensemos en cuánto ha aumentado la esperanza y la calidad de la vida en este último siglo. Parte de esos avances son producto de los aportes de la física de partículas. Ni siquiera podemos sospechar qué nuevos descubrimientos y usos ingeniosos de esos descubrimientos podría entregarnos la física durante el próximo siglo. Y eso que ni siquiera hemos pensado todavía en los aportes de la física de partículas en otros ámbitos de la ciencia y la tecnología. Así que, aunque es difícil ver mañana los aportes que haga la ciencia con la investigación de hoy, la experiencia demuestra que, pese a sus fracasos y a los callejones sin salida en los que a veces queda atrapada, la investigación científica sí nos beneficiará con creces a largo plazo. Incluso salvando vidas.

Bibliografía

  • Bercovich, E., & Javitt, M. C. (2018). Medical Imaging: From Roentgen to the Digital Revolution, and Beyond. Rambam Maimonides Medical Journal, 9(4), e0034. Disponible aquí.
  • Duignan, B. (2015). Democritus. En Encyclopedia Britannica. Disponible aquí.
  • Fondo Nacional de Recursos. (s/f). Técnica PET SCAN [Institucional]. Fondo Nacional de Recursos del Sistema Nacional Integrado de Salud de Uruguay. Disponible aquí.
  • Nutt, R. (2002). The History of Positron Emission Tomography. Molecular Imaging & Biology, 4(1), 11-26. Disponible aquí.
  • RadiologyInfo.org. (2021, febrero 8). Tomografía por emisión de positrones (PET/TC) [Institucional]. RadiologyInfo.org para pacientes. Disponible aquí.
  • Sutton, C., & Gregersen, E. (2011). Antimatter. En R. Curley (Ed.), Encyclopedia Britannica. Disponible aquí.
  • Trefil, J., McGrayne, S. B., & Bertsch, G. F. (2009). Atom. En Encyclopedia Britannica. Disponible aquí.
  • Wagner, H. N. (1998). A brief history of positron emission tomography (PET). Seminars in Nuclear Medicine, 28(3), 213-220. Disponible aquí.
  • Imagen de portada: un tomógrafo por emisión de positrones del siglo XXI. Créditos: Christkannada. Fuente: Wikimedia Commons