¿Puede la física resolver problemas en medicina?

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La Facultad de Ciencias de Bilbao comenzó su andadura en el curso 1968/69. 50 años después la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU celebra dicho acontecimiento dando a conocer el impacto que la Facultad ha tenido en nuestra sociedad. Publicamos en el Cuaderno de Cultura Científica y en Zientzia Kaiera una serie de artículos que narran algunas de las contribuciones más significativas realizadas a lo largo de estas cinco décadas.

La física y la medicina son dos actividades científicas que parecen estar muy alejadas una de la otra. Sin embargo, el listado de los premios Nobel de medicina, nos enseña que hay varios galardones concedidos a Físicos, o en base a una metodología Física. De hecho, el primer galardonado de este tipo, el sueco Allver Gullstrand, recibió en 1911 el Premio Nobel de Medicina y fue nominado al Nobel de Física tanto en 1910 como en 1911. En 1911, el Comité Nobel de Física, del cual Gullstrand era miembro, sugirió que el premio Nobel había de ser para él. Al mismo tiempo el Comité Nobel de Medicina estaba considerando su nombre para el Nobel. Gullstrand declinó el Premio Nobel en Física a favor del Nobel de Medicina [1]. Gullstrand es la única persona que ha declinado un Premio Nobel y ha aceptado otro. Sin contarle a él, son solo tres personas las que no han aceptado un Nobel: los de literatura de 1958 y 1964 por los escritores, ruso Boris L. Pasternak y francés Jean-Paul Sartre, respectivamente, y el Nobel de la Paz por el Vietnamita Le Duc Tho en 1973.

Imagen 1. Allver Gullstrand, premio Nobel en 1911. Fuente: Wikimedia Commons

Es interesante reseñar que Gullstrand tenía una fuerte personalidad y como miembro de la Real Academia de Ciencias Sueca formo parte en 1921 del Comité que se opuso a que Albert Einstein recibiese el Nobel de Física en 1921 por la teoría de la relatividad general, que Gundstrand consideraba equivocada [1].

Allver Gullstrand fue galardonado en 1911 con el premio Nobel en Medicina por sus investigaciones sobre la refracción de la luz a través del medio trasparente del ojo vivo. Si esto no es una metodología Física, que me digan qué es!!! Tres años después de recibir el premio Nobel abandonó la cirugía oftalmológica para dedicarse completamente a la investigación sobre instrumentos ópticos y diseño de instrumentación y técnicas quirúrgicas. La lámpara de hendidura, presente hoy en día en la mayoría de las mesas de los oculistas es una de sus invenciones.

Imagen 2. Lámpara de hendidura. Fuente: Wikimedia Commons

Hubo que esperar 11 años hasta que una metodología Física recogiera otro Premio Nobel de Medicina. El inglés, Licenciado en Matemáticas, Archibald Vivian Hill recibió el Premio Nobel de Medicina de 1922 por la investigación relativa al cambio de temperatura que se produce al poner a trabajar los músculos. Su trabajo sobre la función muscular, especialmente la observación y medida de los cambios de temperatura asociados con el funcionamiento de los músculos, se extendió posteriormente a estudios similares sobre el mecanismo del paso de los impulsos nerviosos. Se desarrollaron técnicas muy sensibles, capaces de medir cambios de temperatura del orden de 0,003 °C en periodos de solo centésimas de segundo. Estas investigaciones dieron un gran impulso a la biofísica y se dice que el gran interés por la misma se debe a sus aportaciones.

En 1924 el médico holandés Willen Einthoven fue galardonado con el premio Nobel de Medicina por el descubrimiento del mecanismo del electrocardiograma. El electrocardiograma es la representación gráfica de la actividad eléctrica del corazón en función del tiempo. Actualmente tiene una función relevante en cribado y diagnóstico de enfermedades cardiovasculares y alteraciones metabólicas. Como es bien conocido, el electrocardiograma se obtiene colocando sobre la zona del pecho 10 electrodos sujetos con cinta de velcro que se conectan mediante cables al aparato para medir los voltajes entre los electrodos (derivaciones, 12 en total). Podemos decir en forma figurada que cada derivación es una “fotografía” de la actividad eléctrica del corazón, tomada desde un ángulo diferente.

Imagen 3. Obtención de electrocardiograma y “fotografías” de la actividad eléctrica del corazón. Fuente: Wikimedia Commons

Los Premios Nobel de Medicina relacionados con la Física presentados hasta ahora se produjeron en las áreas de óptica, termodinámica y señales eléctricas. Sin embargo, el de 1946 (al igual que los dos siguientes) estuvo relacionado con los rayos X. Al genetista estadounidense Hermann Joseph Muller se le galardonó con el Premio Nobel por el descubrimiento de la producción de mutaciones mediante la irradiación con rayos X.

En el Premio Nobel de Medicina de 1962 también se utilizaron los rayos X, pero en este caso para realizar análisis estructurales mediante difracción de los mismos. La química inglesa Rosalind Elsie Franklin trabajando junto al físico neozelandes Maurice Wilkins sobre la difracción de rayos X de la molécula de ADN, describen la estructura de doble hélice del Ácido Desoxidorribonucleico, el ADN, que posteriormente servirá de base para la descripción de dicha estructura por el biólogo estadounidense James Dewey Watson y el físico inglés Francis Harry Compton Crick. La estructura de la molécula de doble hélice que es el ADN dio al mundo la llave para entender todos los secretos de la vida. Toda la vida en la tierra, desde la bacteria más pequeña hasta el ser humano, existe gracias al ADN. Este descubrimiento les valió el premio Nobel de Medicina de 1962 a 3 de estos científicos. Sin embargo, a pesar de que la contribución de la científica Rosalind Franklin fue fundamental (fue quien diseño y realizó los experimentos de difracción de rayos X, sin los cuales no hubieran podido llegar a descifrar la doble hélice), no obtuvo el reconocimiento Nobel por haber fallecido.

Imagen 4. Rosalind Elsie Franklin y la fotografía 51, imagen de la difracción con Rayos X de una molécula de ADN, realizada en 1951 por Rosalind Franklin y Raymond Gosling. Fuente: Composición a partir de imágenes de Wikimedia Commons

¿Cómo llegaron a poder de Watson y Crick los difractogramas realizados por Rosalind Franklin? Así como los comentarios de Watson sobre Rosalind dan para mucho, y son un reflejo de la discriminación que han sufrido muchas mujeres científicas, pero esto nos daría para todo un artículo y no es el objetivo de este [2].

Los siguientes Premios Nobel de Medicina relacionados con la Física se concedieron a descubrimiento/invenciones de técnicas de imagen que actualmente conocemos muy bien. El primero, de 1979, también está relacionado con los rayos X, fue para el físico sudafricano Allan McLeod Cormack y el ingeniero electrónico inglés Godfrey Newbold Hounsfield, por el desarrollo y descubrimiento de la Tomografía Axial Computerizada, que conocemos coloquialmente como TAC o escáner. El TAC revolucionó el diagnóstico médico en todo el mundo, ya que trajo un gran avance en la detección y localización de tumores, permitiendo a los médicos ver el interior del cuerpo humano en tres dimensiones. Godfrey comentó en una entrevista que el The New York Times le realizó en 1973 “el avance consistía en darse cuenta de que al escanear objetos desde muchos ángulos era posible extraer el 100% de la información de los rayos X”. El diagnóstico basado en imágenes del interior del cuerpo obtenidas por medio de los rayos X se utiliza desde principios del siglo XX. Sin embargo, las radiografías clásicas no permiten observar el relieve, ni distinguir con claridad los tejidos. El escáner resuelve esta situación, obteniendo gran número de imágenes de rayos X (ya sea sucesivamente, haciendo girar el aparato, o simultáneamente, mediante varios emisores y detectores).

Imagen 5. Arriba: los premios Nobel de 1979 Allan McLeod Cormack y Godfrey Newbold Hounsfield. Abajo: Equipo TAC o escáner. Composición a partir de imágenes de Wikimedia Commons

En 2003 el premio Nobel de Medicina se concedió al físico británico Peter Mansfield y al químico estadounidense Paul Christian Lauterbur por la invención y desarrollo de la imagen por resonancia magnética nuclear, a la que coloquialmente llamamos resonancia magnética o imagen de resonancia magnética (MRI). Si sometemos los núcleos de los átomos a un intenso campo magnético, estos rotan alrededor de ese campo magnético con una frecuencia que depende del valor de la intensidad del campo. La energía de los núcleos puede aumentar (excitación nuclear) si absorben ondas de radio de la misma frecuencia de rotación. A este proceso se le conoce como resonancia nuclear. Cuando los núcleos se desexcitan, es decir, vuelven a su estado original o fundamental, emiten ondas de radio características del núcleo particular que lo identifican. De hecho, este fenómeno fue descubierto en 1946 para los núcleos de los átomos de Hidrogeno por los estadounidenses Felix Bloch y Edward Mills Purcell, que recibieron el premio Nobel de Física en 1952. Este fenómeno fue muy prolífico, ya que dio lugar a otros dos premios nobeles, de química estos, uno en 1991 y el otro en 2002.

Imagen 6. Los premios Nobel de 2003 Paul Christian Lauterbur y Peter Mansfield.

Mediante la detección de las ondas de radio siguiendo el procedimiento anterior es posible detectar el hidrógeno y su cantidad por unidad de volumen. El agua es una molécula compuesta de átomos de hidrógeno y oxígeno. Por lo tanto, al contener hidrogeno, el agua responde al fenómeno citado. Dos tercios del peso del cuerpo humano son agua y este elevado contenido en agua explica por qué las imágenes de resonancia magnética se han vuelto tan útiles en la medicina. Las pequeñas diferencias en las oscilaciones de los núcleos pueden detectarse y mediante un procesamiento informatizado complejo, es posible construir una detallada imagen de tejidos y órganos en el área del cuerpo investigada. De esta forma pueden documentarse los cambios patológicos.

Imagen 7. Ejemplos de MRI tomados con diferentes técnicas: ponderación T1 (spin-red), ponderación T2 (spin-spin) y ponderación en PD (densidad de protones). Fuente: Wikimedia Commons

Hoy día, la MRI se emplea para la exploración de casi todos los órganos del cuerpo. La técnica es especialmente valiosa para obtener imágenes detalladas del cerebro y la medula espinal. Sin embargo, el equipamiento para la MRI es caro, muy voluminoso, pesado y necesita de campos magnéticos elevados (como mínimo del orden de 1 Tesla, que en comparación al campo magnético terrestre es unas 10000 veces mayor), por lo que está localizado en lo que se vienen a llamar salas de resonancia de grandes hospitales.

Desarrollar equipamiento MRI portable sería una ventaja adicional, que posibilitaría su utilización en salas de urgencias, ambulatorios y ambulancias medicalizadas, con la consiguiente mejora en el servicio médico. En la Facultad de Ciencia y Tecnología se está trabajando en el desarrollo de equipamiento portable, y el primer prototipo del citado equipamiento está cerca [3].

Actualmente el desarrollo de una nueva terapia contra el cáncer (Hipertermia magnética), se está realizando por investigadores e investigadoras en Física y Química de la Facultad de Ciencia y Tecnología, investigadores de la Facultad de Medicina e investigadores en medicina clínica del Hospital de Galdakao. Esta nueva terapia necesita de los siguientes pasos: 1) sintetización de nanopartículas magnéticas apropiadas, 2) inoculación de las nanopartículas magnéticas de forma que estas se localicen en el tumor y 3) desarrollo de un aplicador electromagnético de radiofrecuencia que sea capaz de hacer que las nanopartículas magnéticas liberen calor suficiente para “quemar” los tumores en los que se han localizado las nanopartículas [4]. Cuando se consiga desarrollar completamente la terapia será posible “quemar” las células cancerosas, es decir, los tumores, sin dañar el tejido circundante. Si se consigue implementar esta terapia, los efectos secundarios serán mucho menores que los que producen la radioterapia y la quimioterapia, y su costo será mucho menor.

Para saber más:

[1] Ravin, James G. (1999). Gullstrand, Einstein, and the Nobel Prize. MD Arch Ophthalmol. 117(5):670-672. DOI:10.1001/archopht.117.5.670

[2] Angulo, Eduardo (2014). El caso de Rosalind Franklin. Mujeres con Ciencia.

[3] Alonso-Valdesueiro, J. et al., (2018). Design, Construction, and Characterization of a Magic Angle Field Spinning RF Magnet. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, PP(99), 1-10. DOI:10.1109/TIM.2018.2884606

[4] Périgo, E.A. et al., (2015). Fundamentals and advances in magnetic hyperthermia. Applied Physics Reviews, 2(4), 041302. DOI:10.1063/1.4935688

Sobre el autor: Fernando Plazaola es catedrático en el Departamento de Eletricidad y Electrónica de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU.

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