Y yo quiero ser... Especialista en Fotónica

Y yo quiero ser... Especialista en Fotónica. 

Dicen que los adolescentes solo escuchan a dos personas: a sus ídolos musicales y a su profesor de bachillerato. Es una forma —en mi opinión, bastante acertada— de exponer la gran influencia que puede llegar a tener un buen (o un mal) profesor sobre la carrera de sus alumnos; más aún, incluso, que su entorno familiar más cercano.

En mi caso particular, debo admitir que Juan Carlos (mi profesor de física) tuvo muchísimo que ver con que yo quisiera ser físico: hasta entonces, yo tenía clarísimo que quería ser… bueno, la verdad es que tampoco lo tenía demasiado claro. Por un lado, los ordenadores me han apasionado desde muy pequeño (en mi casa todavía hay quien me llama «el botones»), y he sabido desde siempre que quería hacer algo que involucrase trabajar con ordenadores; por otro lado, empecé a militar en política relativamente joven —a los 14—, y quería hacer algo relacionado con legislación (ya sean ciencias políticas, derecho, o alguna carrera del estilo). La entrada de Juan Carlos en escena, en última instancia, hizo que me interesara más por las leyes naturales que por las emanadas de cualquier parlamento.

Y así fue como, tras dos años de bachillerato, al final acabé matriculándome en la Facultad de Física de la Complutense, en Madrid. Me gustaría decir que fui un estudiante ejemplar, pero tengo que reconocer que falté a muchas más clases de las que estoy dispuesto a admitir en público, especialmente en los últimos años. Solo iba a aquellas en las que consideraba que mi tiempo estaba mejor invertido yendo a clase que estudiando el temario por mi cuenta: de esta forma terminaba disfrutando de todas las asignaturas —tanto de las clases magistrales de los buenos profesores como de pelearme con los conceptos de las materias que estudiaba en la biblioteca. Además, también conseguía así evitar el efecto desmotivador de muchas clases (¿alguien dijo “Álgebra Lineal”?).

También, al hacerlo de esta forma, encontré un patrón interesante en mi conducta: mientras que evitaba todo lo posible asignaturas relacionadas con astrofísica y me escaqueaba de muchas de física nuclear, siempre asistía a asignaturas relacionadas con física computacional, electrónica y óptica. Tanto es así que el último año de carrera estuve buscando sitios donde hacer un doctorado en (al menos) una de estas tres áreas. Se ve que tuve suerte, porque tras buscar un poco acabé en un programa de Máster (y de doctorado después) en Fotónica, un área que involucra estas tres áreas de la Física a la vez. En mi opinión, es precisamente esta vertiente multidisciplinar la que le da a la Fotónica un toque especialmente interesante, sobre todo al compararla con otras ramas de investigación similares (como la Óptica, por ejemplo). Más que una investigación fundamental sobre las propiedades de la luz, en Fotónica también es crítico investigar cómo manipularla, y emplear esos conocimientos en otras ramas del conocimiento: de ahí, la aparición de distintas disciplinas dentro de la Fotónica como pueden serla Optoelectrónica, la Física del Láser, la Física de Fibras Ópticas, la Computación Cuántica, la Biofotónica, la Óptica Cuántica o la Nanofotónica.

Podría intentar describir cada una de estas ramas con un cierto detalle, pero temo tanto no ser capaz de hacerles justicia a ninguna como irritar al editor al pasarme del límite de páginas del capítulo. De todas formas, no resulta demasiado difícil de verla influencia de muchas de estas disciplinas en las tecnologías actuales más avanzadas. Por poner un solo ejemplo de cada una: el desarrollo de paneles solares está fuertemente influenciado por los últimos avances en optoelectrónica, siempre buscando arañarle un poco más de energía a la luz solar; la aparición de láseres ultrarrápidos permite a los químicos estudiar reacciones moleculares en tiempo real, incluso con miles de átomos simultáneamente; los avances en fibras ópticas cada vez permiten transmitir más y más información (y sostener, por tanto, más y más conexiones a Netflix); la entrada en escena de los ordenadores cuánticos prometen cambiar radicalmente la informática tal y como la conocemos; por último, la Fotónica también ha influido en la aparición de nuevas terapias contra el cáncer, algunas de las cuales emplean la luz para destruir células tumorales.

Todos estos ejemplos, a su vez, descansan sobre los estudios y avances en las ramas más fundamentales de la Fotónica: la Óptica Cuántica (comprender cómo se comporta la luz cuando no se puede estudiar como un campo electromagnético clásico) y la Nanofotónica (estudiar la interacción entre luz y materia en escalas muy, muy pequeñas) extienden nuestro conocimiento de la luz más allá de los confines de la Óptica Clásica, y nos permiten «ver» los componentes más básicos, fundamentales y diminutos de la materia ordinaria. Bueno, y de la no tan ordinaria: el conocimiento en profundidad de la interacción luz-materia ha permitido la aparición de la disciplina de los simuladores cuánticos: sistemas físicos configurados de tal forma que simulan el comportamiento de otros, los cuales son prácticamente imposibles de estudiar de otra forma (como, por ejemplo, las interacciones dentro de los núcleos atómicos).

Cualquiera de estos temas, a título personal, me resulta increíblemente interesante. Además, todos ellos son auténticos retos, y eso es importantísimo: es complicado mantener la motivación y las ganas de hacer física si no supone un desafío. Sin embargo, que sea un reto es a la vez un arma de doble filo: no todo el monte es orégano, que diría mi abuela. Los periodos de frustración existen: da igual que lleves haciendo física cuatro meses (en una estancia de verano), cuatro años (como yo), o cuatro décadas (como he podido observar en algunos profesores); es necesario capear la frustración, de una forma o de otra, y no es sencillo. De todas formas, estas etapas se pasan, los retos se superan, y la sensación de logro que queda es única y casi irremplazable.

En resumen, lo único que le puedo aconsejar a alguien que esté valorando hacer ciencia es «elige la rama que te motive». Yo lo hice, y a día de hoy estoy más motivado que nunca a continuar.

José Ramón Martínez Saavedra.

(Cuando escribió este texto)

Doctorando en Fotónica.

ICFO-Institut de Ciències Fotòniques, Barcelona.

(En la actualidad)

Doctor en Fotónica.

VP Innovación — Quside Technologies SL.

Y yo quiero ser... Físico Teórico

Y yo quiero ser... Físico Teórico. 

Mi vocación por la Física se fraguó hacia los 17 años, cuando la curiosidad me llevaba a husmear en los últimos capítulos de los libros de texto, aquellos que nunca da tiempo a ver en clase, en especial los de Física y de Filosofía. Allí me topé con fenómenos como el extraño comportamiento de los electrones en los átomos, o maravillas como la idea del espacio-tiempo y su curvatura como explicación de la fuerza de la gravedad. Estos “descubrimientos” de juventud me fascinaron y me produjeron una atracción irresistible. En aquella época sin internet y casi sin acceso a material de divulgación científica, no sabía poner nombre a esta vocación, pero el tiempo se encargó de mostrarme que lo que quería, aunque aún no lo supiera, es ser Físico Teórico.

¿Qué es la Física Teórica y para qué sirve?

Hoy el término “Física Teórica” es mucho más conocido, a través de grandes figuras mediáticas como Stephen Hawking o de su incorporación a la cultura popular con personajes como Sheldon Cooper de la serie “The Big Bang Theory”. Pero ¿qué es en realidad la Física Teórica?.

La Física Teórica es la rama de la Física que propone modelos teóricos para los fenómenos fundamentales observados en la naturaleza. Por “fundamentales” podemos entender los que se manifiestan en las situaciones más extremas de la materia y la energía, y que proporcionan respuestas científicas a las preguntas fundamentales que se planeta el ser humano sobre el mundo que le rodea.

Un ejemplo es lo infinitamente pequeño, donde se estudian las leyes que rigen el comportamiento de las partículas elementales a las más altas energías accesibles en los colisionadores de partículas como el LHC del CERN en Ginebra. Éstas incluyen los electrones, los quarks que componen protones y neutrones, las partículas que median sus interacciones, el bosón de Higgs, etc. Es decir, las que componen el Modelo Estándar de Partículas Elementales, la teoría que describe el frenesí cuántico, que constituye nuestra respuesta científica actual a la pregunta “¿de qué están hechas las cosas?”

Otro ejemplo es el de lo infinitamente grande, el estudio del Universo como un todo, como respuesta a las preguntas “¿cómo es el Universo y de qué está compuesto?” “¿cómo empezó?” y “¿cuál es su destino final?”. La Cosmología estudia la estructura del Universo, su composición, y su origen como un plasma primigenio a las más altas temperaturas y lanzado a una expansión desbocada. Esta expansión, fruto de la dinámica del espacio-tiempo descrita en el marco teórico de la Relatividad General, no solo determina la historia pasada del Universo, sino su destino último, en una expansión eternamente acelerada, alimentada por una energía de vacío, que denominamos energía oscura, pero cuya naturaleza está aún por determinar.

Un ejemplo final es la frontera de la complejidad, en la que la Física Teórica estudia la aparición de nuevos fenómenos emergentes en sistemas de muchos componentes, nuevos modos de comportamiento de la materia y la energía que no están manifiestos en la descripción microscópica del sistema. Esta vibrante rama de la Física se encuentra en la interface de otras áreas, como la Física de la Materia Condensada y la Información Cuántica.

Fig. 1. La Física Teórica abarca las principales incógnitas del Universo, desde lo infinitamente pequeño a lo infinitamente grande.

¿Y el experimento?

Gran parte de estas exploraciones es experimental y observacional, en tanto que en Física, como ciencia empírica, la última palabra la tiene el experimento. Pero de forma complementaria, la Física Teórica permite llevar más allá las fronteras del pensamiento científico, y plantear preguntas cuyas respuestas solo podrán ser confirmadas experimentalmente en un futuro. De esta manera, la Física Teórica no solo construye la interpretación teórica de fenómenos observados, sino que sirve de guía en la exploración futura de la naturaleza.

Esto ha sucedido en el pasado reciente, por ejemplo con el mecanismo de Higgs, que permaneció durante décadas como un modelo teórico propuesto como explicación de la generación de masas para las partículas elementales del Modelo Estándar, y una guía en la propuesta de nuevos y más potentes aceleradores de partículas. El descubrimiento del bosón de Higgs en los experimentos ATLAS y CMS del CERN confirma la realidad física de este fenómeno, completando una preciosa historia de colaboración entre Física Teórica y Física Experimental durante los últimos 50 años.

De forma similar, la reciente detección directa por la colaboración LIGO (y posteriormente con VIRGO) de ondas gravitacionales en procesos de fusión de sistemas binarios de agujeros negros, y de estrellas de neutrones, culmina con una fascinante confirmación observacional una predicción teórica centenaria de la Relatividad General. Y cuya importancia radica en que abre una revolucionaria nueva ventana al Universo con la promesa de numerosas sorpresas teóricas y observacionales en los próximos años.

Se espera que de igual modo, las fronteras que la Física Teórica explora hoy día guíen el desarrollo de nuevos experimentos y métodos de medición que permitan avanzar en el futuro conocimiento de la naturaleza. Por ejemplo, propuestas como el origen del Universo en una etapa de inflación cósmica en la primera fracción de segundo; o cuestiones que hoy parecen remotas especulaciones, como la descripción de gravedad cuántica en términos de teoría de cuerdas, o el estudio de los agujeros negros a nivel cuántico a través de modelos teóricos como las dualidades holográficas. Estas construcciones teóricas pueden quizás contener las claves que marquen nuestra concepción del Universo y la realidad física dentro de algunas décadas.

¿Y las aplicaciones prácticas?

La Ciencia tiene una indudable faceta de aplicaciones prácticas, claramente manifiesta en nuestra vida cotidiana, desde el ámbito más individual como el del electromagnetismo subyacente en el funcionamiento del microondas que nos calienta el café por la mañana, hasta el más colectivo y social de la electrónica y la tecnología de comunicaciones que nos vinculan a través de dispositivos digitales y canalizan nuestras conversaciones y  las corrientes de opinión de nuestra sociedad.

Esta faceta práctica parece ausente en el campo de la Física Teórica. Y en el fondo, así es... ¡y así debe ser! La Física Teórica se nutre de la curiosidad pura del ser humano, y su objetivo es y debe ser generar el conocimiento para satisfacerla. No obstante, también es correcto que incluso desarrollos teóricos extremadamente abstractos han sido fundamentales en el desarrollo de nuevas tecnologías y aplicaciones prácticas. El estudio de la Física Cuántica a principios del siglo XX constituía un área de interés meramente académico; pero su impacto en la comprensión fundamental de las propiedades químicas de los elementos, de la dinámica de moléculas complejas incluidas las orgánicas, o de las propiedades de nuevos materiales como los semiconductores, han implicado revoluciones en las aplicaciones prácticas de la Química, la Biomedicina, o en el desarrollo de nuevas disciplinas como la Computación y las Nuevas Tecnologías. Igualmente, el conocimiento de las sutiles correcciones a la gravedad de Newton dictadas por la Relatividad General de Einstein son esenciales para el correcto funcionamiento de tecnologías muy precisas, pero cotidianas, como los navegadores GPS.

Lo que la Historia recomienda, por tanto, es evitar puntos de vista cortoplacistas en lo que respecta a la Física Teórica, y promover su investigación en tanto que motivada por la curiosidad pura, con la certeza de que la aplicación práctica de los nuevos conocimientos adquiridos terminará llevándose a cabo de maneras imposibles de anticipar hoy día. Podemos plantearnos esta investigación, por tanto, como un acto de generosidad para las generaciones venideras, que esperamos plasmen en herramientas útiles muchos de los resultados que hoy nos parecen tan alejados de la vida cotidiana.

Un poco de mi investigación...

Retomando mi relato biográfico inicial, mi carrera tomó el camino más común hacia el mundo de la investigación: estudios de licenciatura, iniciación en la investigación durante los años de preparación de mi tesis doctoral y diversas estancias postdoctorales de varios años en centros de investigación extranjeros hasta incorporarme a mi centro actual, el Instituto de Física Teórica en Madrid. Una travesía no siempre exenta de complicaciones, pero en la que la pasión por la Física ha sido un motor constante.

A lo largo de estos años, mi campo de investigación se orientó y especializó hacia el estudio de la teoría de cuerdas, especialmente el problema de cómo encajar la Física de Partículas conocida, el Modelo Estándar, en este marco teórico. La teoría de cuerdas proporciona una descripción en la que la gravedad, así como el resto de interacciones fundamentales, quedan descritas de forma compatible con las leyes de la Física Cuántica. Parte de la hipótesis de que las partículas elementales no son entes puntuales, sino objetos extensos unidimensionales (cuerdas) de tamaño tan extraordinariamente pequeño que su carácter extenso no se manifiesta en los experimentos actuales. Sin embargo, la teoría lleva a modificaciones brutales de la Física, como la necesidad de que existan dimensiones espaciales adicionales, igualmente de tamaño tan minúsculo que escapan cualquier intento de detección directa. A pesar de ello, la geometría y otras propiedades del espacio interno definido por estas dimensiones extra son esenciales en determinar el contenido preciso de partículas elementales e interacciones fundamentales que se observarían a las escalas ordinarias de Física de Partículas. Por tanto es una cuestión fundamental el análisis de las propiedades de estos espacios internos que producen una Física de Partículas que corresponda al Modelo Estándar.

El estudio de este área de la Física Teórica me resulta enormemente divertido y satisfactorio, porque me permite visualizar las partículas ordinarias y sus propiedades como pistas en un mapa geográfico de estos espacios interiores que estoy seguro ocultan más de un tesoro (científico).

A modo de conclusión.

La Física Teórica es un área de investigación extremadamente interdisciplinar (Fig. 1) y que permite acceder a las cuestiones más fundamentales del Universo, y describir la naturaleza en términos de leyes de enorme potencia conceptual y belleza matemática. Si te interesan las grandes incógnitas del Universo, su origen, su destino final, la materia y energía que lo componen, y los principios fundamentales de su dinámica, es muy posible que ¡tú también quieras dedicarte a la Física Teórica!

Ángel M. Uranga.

Doctor en Física Teórica.

Profesor de Investigación, Instituto de Física Teórica UAM-CSIC.

Y yo quiero ser... Investigador en Imagen Biomédica

Y yo quiero ser... Investigador en Imagen Biomédica. 

Cuando era niño recuerdo que me encantaban los documentales y los libros que te trasladaban a mundos donde solamente los grandes exploradores llegaban. Así, desarrollé cierta afición por la fotografía de la naturaleza. Más tarde, en mi periplo profesional, descubriría que esos mundos tan extraordinarios que fotografiar y documentar no están solo ahí fuera ¡Sino dentro de nosotros! Que más allá de la luz visible, hay otras ondas electromagnéticas con distintas propiedades que nos dejan ver el interior de los organismos. Estas herramientas no solo nos permiten describir cómo son las estructuras biológicas sino también entender cómo funcionan.

¿Qué es la imagen biomédica?

La imagen biomédica es la ciencia y rama de la medicina interesada en el desarrollo y uso de aparatos y técnicas para obtener imágenes de la anatomía interna y en proveer un análisis bioquímico y fisiológico de tejidos y órganos. En este campo colaboran profesionales de muchos ámbitos como, por ejemplo: físicos, ingenieros (telecomunicaciones, electrónicos, informáticos o bioingenieros), matemáticos, radiofarmacéuticos,  radioquímicos, médicos, etc.… ¿Cómo he llegado yo aquí? En mi caso, con formación en biología, estoy interesado en el desarrollo de sondas moleculares (moléculas muy afines a otras moléculas o procesos fisiológicos) que puedan ser monitorizadas por estas técnicas para entender cómo funciona la fisiología humana en condiciones de salud y enfermedad. Las técnicas de imagen biomédica se pueden clasificar en dos grandes grupos: las estructurales y las funcionales. Las técnicas del primer grupo nos dan información sobre la anatomía y la composición del organismo de estudio. Algunos de los ejemplos más conocidos son la radiografía, la tomografía axial computarizada (TAC o CT, en inglés), los ultrasonidos o la imagen por resonancia magnética (IRM o MRI, en inglés). Por otro lado, las técnicas funcionales y moleculares nos informan sobre los diferentes procesos metabólicos que están ocurriendo en nuestro sujeto de estudio, en este caso por su relevancia clínica, las más interesantes son la tomografía por emisión de fotón único (TCEFU o SPECT, en inglés) y la tomografía por emisión de positrones (TEP o PET, en inglés). Todas estas herramientas se utilizan actualmente en los hospitales para visualizar el interior de los pacientes y diagnosticar muchos tipos de enfermedades, desde una pierna rota hasta el cáncer o el Alzheimer. Además, las técnicas de imagen, estructurales y funcionales, se pueden unir en lo que se conoce como equipos multimodales e híbridos. Estos sistemas, como el PET/CT, nos dan imágenes con una información más útil y completa. Como una imagen vale más que mil palabras y este capítulo trata de imágenes, en la Fig. 1, podemos ver un ratón de laboratorio “fotografiado” mediante dos técnicas de imagen diferentes, estructural (CT) y funcional (PET), y ambas fusionadas ya que fueron tomadas del mismo animal en un equipo multimodal (PET/CT). En la imagen estructural tomada por CT vemos la radiodensidad de los diferentes tejidos, esto es, la capacidad que tienen de atenuar los rayos X. Los tejidos más opacos a los rayos X son los huesos, apareciendo en blanco, mientras los órganos como los pulmones, formados por aire, son transparentes, por ello aparecen en negro. En la imagen funcional de la PET vemos unas manchas que representan la captación de glucosa en los tejidos y órganos. Para poder ver su distribución, a este azúcar se le ha introducido el átomo radiactivo de un elemento químico (radioisótopo), en este caso flúor-18 (¹⁸F), por esto se le conoce como ¹⁸F-Fluorodesoxiglucosa (¹⁸F-FDG). Esta situación permite al escáner PET detectar las fuentes de emisión de radiactividad dentro del organismo. En la imagen vemos que el órgano que más ¹⁸F-FDG capta es el musculo del miocardio en el corazón (la forma de U en la imagen es debido a las aurículas y ventrículos), además hay otros tejidos en los que también vemos una captación considerable de ¹⁸F-FDG como son el cerebro, la grasa parda, las glándulas harderianas y los riñones. En los hospitales, la evaluación de la captación de ¹⁸F-FDG es utilizada frecuentemente en las áreas de oncología, neurología y cardiología.

Fig. 1. Corte sagital de la Imagen de un ratón de laboratorio tomada por un equipo multimodal PET/CT para animales pequeños. CT, imagen estructural basada en la atenuación de los rayos X en los tejidos. PET, imagen funcional basada en la captación de ¹⁸F-FDG. PET/CT, fusión de ambas técnicas dando una imagen donde podemos localizar con precisión los tejidos que han captado ¹⁸F-FDG.

Localizando el cáncer.

Como investigador en imagen biomédica, utilizo la PET/CT para monitorizar moléculas afines a algunas características que solamente poseen los tumores. De esta manera, podemos intentar mejorar o complementar las actuales herramientas de diagnóstico en oncología. En concreto, la investigación en la que he colaborado junto con mis compañeros de la Unidad de Aplicaciones de Radioisótopos del Centro de Investigaciones Energéticas, Medio Ambientales y Tecnológicas (CIEMAT) en colaboración con otros científicos del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) y del Centro Nacional de Investigaciones Cardiológicas (CNIC) ha tratado del desarrollo de una sonda molecular para la detección de una proteína transmembrana (MT1-MMP) que se sobreexpresa en las células de algunos tipos de cáncer como el glioblastoma, el más mortal de los tumores cerebrales en adultos. Para su desarrollo hemos utilizado un anticuerpo, específico para MT1-MMP, y lo hemos marcado con un radioisótopo del zirconio (zirconio-89) para detectarlo por PET. Este enfoque en el que se utilizan anticuerpos (también llamados inmunoglobulinas) y la técnica de imagen PET se conoce como inmunoPET. En la Fig.  2, podemos ver la ubicación de un tumor, formado por una línea celular de glioblastoma humana, en un roedor gracias al anticuerpo específico para MT1-MMP que hemos desarrollado. Además del tumor, el órgano que más capta nuestro anticuerpo es el hígado del ratón ya que es la vía por la que estas macromoléculas se metabolizan.

Fig. 2. Corte axial (izquierda) y sagital (derecha) de una imagen PET/CT de un ratón portador de un tumor cerebral (flecha) detectado por un anticuerpo marcado con un radioisótopo que se une a una proteína que es sobre expresada por este tipo de cáncer. El hígado es la principal vía de metabolización de los anticuerpos radiomarcados (rojo).

Un poco más de imagen

Por último, no quiero despedir el capítulo sin poner otros ejemplos de imagen biomédica para que tengas una mayor perspectiva de estas herramientas que nos ayudan a “fotografiar los paisajes internos del organismo”.  Por ello, he buscado tres aplicaciones diferentes en revistas científicas.

-Además del diagnóstico, la ¹⁸F-FDG se puede utilizar en la monitorización de los tratamientos oncológicos como la inmunoterapia (Fig. 3). Como podemos ver en la imagen, los focos de captación de la glucosa son los tumores (efecto Warburg) que tras la inmunoterapia han reducido su tamaño considerablemente.

Fig. 3. Captación de ¹⁸F-FDG antes(a) y después(b) de un tratamiento por inmunoterapia en un paciente de cáncer de pulmón de células no pequeñas con metástasis. Extraído de Mitsunori Higuchi et al. (2016).

-El uso de las técnicas de imagen y la moderna impresión 3D puede ofrecernos la posibilidad de realizar útiles modelos anatómicos para la enseñanza o el entrenamiento de personal médico ¡Imprime tus propias costillas, hígado y pulmones! (Fig. 4).

Fig. 4. Pasos para transformar los datos de imagen de un CT en un modelo anatómico imprimible por una impresora 3D. Extraído de Bücking TM et al. (2017).

-Las técnicas de imagen aplicadas al sistema nervioso central, neuroimagen, nos pueden ayudar en el diagnóstico y evaluación de la progresión de enfermedades como el Parkinson (Fig. 5).

Fig. 5. Imágenes PET con ¹⁸F-FDG y MRI en un paciente con la enfermedad de Parkinson y deterioro cognitivo. En esta imagen se puede observar un déficit del metabolismo de la glucosa y una reducción del volumen en el hemisferio cerebral izquierdo. Las imágenes A1-4 representan la reconstrucción 3D de la captación de ¹⁸F-DG en el cerebro. Las imágenes B, C y D son diferentes modos de imagen PET/MRI fusionadas. Extraído de TaiseVitor et al (2017).

Conclusión

La imagen biomédica es una herramienta muy potente para “fotografiar” el interior de los seres vivos y ayudar a los médicos a entender mejor las enfermedades. Es un campo en el que se puede aportar desde muchas profesiones y que está en constante crecimiento.

¡Ayúdanos a descubrir los intrincados misterios del cuerpo humano!

Referencias:

[1] de Lucas AG, Schuhmacher AJ, Oteo M, Romero E, Cámara JA, de Martino A, et al. Targeting MT1-MMP as an ImmunoPET-Based Strategy for Imaging Gliomas. PLOS ONE (2016).

[2] Mitsunori Higuchi, Yuki Owada, Takuya Inoue, Yuzuru Watanabe, Takumi Yamaura, Mitsuro Fukuhara, et al.FDG-PET in the evaluation of response to nivolumab in recurrent non-small-cell lung cancer. World J SurgOncol. 2016; 14(1): 238.

[3] Bücking TM, Hill ER, Robertson JL, Maneas E, Plumb AA, Nikitichev DI. From medical imaging data to 3D printed anatomical models. PLOS ONE (2017).

[4] TaiseVitor et al (2017).TaiseVitor, KarineMinaifMartins, Tudor MihaiIonescu, Marcelo Livorsi da Cunha, Ronaldo HuebBaroni, Marcio Ricardo Taveira Garcia, et al. PET/MRI: a novel hybrid imaging technique. Major clinical indications and preliminary experience in Brazil. Einstein (Sao Paulo). 2017 Jan-Mar; 15(1): 115–118.

Ángel García de Lucas.

Doctor en Biociencias Moleculares.

Investigador de la Unidad de Aplicaciones de Radioisótopos, CIEMAT.

Y yo quiero ser...Ingeniera Óptica

Y yo quiero ser...Ingeniera Óptica. 

Yo quiero ser Ingeniera Óptica y jugar con la luz, porque básicamente es a lo que nos dedicamos: a utilizar las propiedades de la Luz en multitud de desarrollos científicos y tecnológicos. La Ingeniería Óptica se ocupa de las aplicaciones de la Óptica y la Fotónica: la Óptica es la ciencia que se ocupa del estudio de la Luz y de los fenómenos luminosos, y la Fotónica es la ciencia de la generación, control y detección de partículas luminosas, “fotones”. La Ingeniería Óptica, por tanto, trata de la Luz.

La Luz está presente en todo lo que nos rodea, desde que nos levantamos hasta que nos acostamos y, ya desde la Antigüedad, el ser humano ha sentido curiosidad científica por la Luz y sus aplicaciones. Una de las primeras preguntas filosóficas que se planteó el ser humano tiene que ver con la visión, con la percepción del mundo exterior y en por qué vemos, o qué es la Luz: el ser humano percibe el 80% de la información del mundo que le rodea gracias al sentido de la vista, y, sin duda, esta es una de las razones que impulsó a los primeros científicos a intentar comprender por qué ve el ser humano y qué lo hace posible.

¿Cómo era un Ingeniero Óptico en la Antigüedad?

Existen algunas evidencias que sugieren que los primeros ingenieros ópticos existían ya hace 4000 años y que muchas de las grandes construcciones de la Antigüedad (Pirámides egipcias y mayas, Stonehenge, etc.) fueron construidas teniendo en cuenta los principios básicos de la Ingeniería Óptica. Estos pioneros sabían ya que la luz viaja en línea recta, entendían el ciclo de las estaciones y su dependencia con el ciclo solar, y conocían algunas de las interacciones entre la Luz y su entorno y tomaban ventaja de las mismas, creando las primeras aplicaciones ópticas. La fabricación de lentes, de diferentes tipos y aplicaciones, constituyó el primer paso en el desarrollo de instrumentos ópticos, gracias a los cuales se sentaron las bases de los primeros tratados de Óptica sobre la Luz y la Visión.

En la Grecia clásica se produjeron avances notables en el estudio de la Luz: Euclides, en su libro Óptica (˜siglo III a.c), ya aludía al concepto de “rayo de luz” y al hecho de que la Luz viaja en línea recta. Las bases de la Óptica Geométrica ya eran un hecho. Más adelante, en la Edad Media comenzó el desarrollo de la Óptica Física y la Óptica Fisiológica, manteniendo aún unidos el estudio de la Visión y del agente físico que la provoca, la Luz. Es en la Edad Media cuando Alhacen (siglo X) enuncia la idea de que las fuentes de luz iluminan los objetos y que la luz reflejada por estos llega a los ojos, permitiendo la visión en contraposición a la escuela platónica que consideraba la visión como una propiedad del alma, que hacía que los rayos emergían de los ojos del observador hasta alcanzar los objetos.

La Óptica Geométrica se basa en el concepto de rayo de Luz y se utiliza principalmente para explicar los fenómenos de propagación de la luz, las trayectorias que sigue esta al propagarse y la reflexión y la refracción lumínicas sobre distintos medios materiales. Sus aplicaciones tecnológicas han sido innumerables, sobre todo en la fabricación de instrumentos ópticos para la formación de imágenes (por ejemplo cámaras fotográficas, microscopios, telescopios). Sin embargo la Óptica Geométrica no era capaz de explicar toda la casuística óptica.

En el momento en el que aparece la Óptica Difractiva, se pasa de la Óptica Clásica a la Óptica Moderna, ya en el siglo XX. La Óptica Ondulatoria se introdujo para explicar fenómenos de difracción, interferencia y polarización de la luz y, en combinación con la idea de que la Luz está compuesta por ondas electromagnéticas, permite explicar fenómenos en los que la Luz interactúa con la materia (dispersión de la Luz en la atmósfera o absorción de la Luz en materiales). Esto supuso un importantísimo avance de las tecnologías ópticas relacionadas con el procesado óptico de imágenes o la metrología óptica  (por ejemplo gracias a la interferometría). Para ir un paso más allá y explicar fenómenos de interacción de la Luz con la materia, a nivel microscópico, se desarrolló la Óptica Cuántica, que permitió explicar la naturaleza dual onda-partícula de la Luz: las partículas luminosas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en unos casos y de partículas compactas y localizadas en otros. La Óptica Cuántica ha permitido la evolución de la Fotónica y las tecnologías derivadas de la misma como los láseres, las tecnologías de las comunicaciones ópticas o los detectores de radiación basados en semiconductores.

¿Qué hace un Ingeniero Óptico hoy en día?

En la actualidad, los Ingenieros Ópticos trabajan en  multitud de áreas relacionadas principalmente con el diseño de sistemas ópticos, la óptica visual, la óptica de materiales y láminas delgadas, la fabricación y los controles de calidad ópticos, así como la óptica astronómica, aeronáutica y espacial.

El diseño de sistemas ópticos comprende el diseño de componentes de instrumentos ópticos como lentes, espejos, cámaras fotográficas, microscopios, telescopios y otros instrumentos más complejos basados en las tecnologías de la Luz, como sensores ópticos y sistemas de medición, láser, sistemas de comunicación de fibras ópticas, o sistemas de almacenamiento de datos. La complejidad de los sistemas ópticos depende en gran medida de la finalidad de los mismos y de la tarea a llevar a cabo.

La Ingeniería Óptica es imprescindible en el diseño de sistemas complejos que permitan estudiar la Óptica/Física de la visión, muy similar a la de un sistema de fotografía, y la interpretación que hace el cerebro de la información que recibimos del exterior, el procesado neuronal. La Óptica y la Visión permanecen igual de unidas que en la Antigüedad, inherentes una a la otra, con la ventaja de que las tecnologías ópticas existentes permiten un estudio más detallado de las mismas. De hecho, algunas tecnologías ópticas utilizadas en Astronomía (Óptica Adaptativa) o Metrología (Interferometría), se utilizan de manera convencional para estudiar el sistema visual humano.

Uno de los temas candentes en Ingeniería Óptica tiene que ver con la selección, diseño y desarrollo de material con nuevas propiedades ópticas y físicas, la Óptica de materiales y láminas delgadas. Cuanto más complejos son los sistemas ópticos, mayores las exigencias en cuanto a las características de los materiales empleados: transparencia, dureza, índice de refracción, biocompatibilidad, propiedades cromáticas, entre otros.

En esa línea, la Ingeniería Óptica de materiales está muy relacionada con la fabricación de nuevos materiales, pero también en técnicas ópticas de control de calidad, como por ejemplo las que utilizan patrones de interferencia de Moiré para detectar fallos estructurales en sistemas complejos (por ejemplo controles de calidad en la fabricación de fuselajes de aviones).

Por supuesto, un campo clásico de aplicación de la Ingeniería Óptica es la Óptica Astronómica, Aeronáutica y Espacial. ¿Quién no ha oído hablar de las misiones de la NASA a diferentes planetas? ¿Y los grandes telescopios astronómicos como el Hubble? ¿Habéis ido a un planetario? En todas esas áreas de trabajo, exploración e investigación es imprescindible la Ingeniería Óptica.

En resumen, la Luz y la Óptica están en todas partes y, por tanto los trabajos relacionados con ellas también.

Fig. 1. Fuente laser de supercontinuo del Sistema Óptica Adaptativa policromático del Grupo de Óptica Visual y Biofotónica del Instituto de Óptica “Daza de Valdés” del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

Tesis doctoral “Polychromatic Adaptive Optics to evaluate the impact of manipulated optics on vision”, M.  Viñas.

¿Cómo llegar a ser un Ingeniero Óptico?

El diseño y construcción de dispositivos para aprovechar las propiedades de la luz es una tarea compleja que requiere conocimientos extensos de Óptica y Física. Sin embargo, debido a la complejidad de los sistemas ópticos otros conocimientos son también necesarios.

Las fuentes de luz utilizadas en este tipo de sistemas pueden ser de múltiples tipos y capacidades (principalmente fuentes láser) por lo que son necesarios conocimientos de Fotometría y Radiometría, así como de Seguridad y protección láser.

El diseño de sistemas tan complejos requiere a menudo el conocimiento de software de diseño óptico (Zemax, Oslo) que permite conocer las capacidades teóricas del sistema antes de su desarrollo.

Muchos sistemas ópticos incluyen fuentes de luz (láseres, fuentes de fibra), sistemas optomecánicos, microprocesadores, fibras ópticas, detectores, cámaras científicas, sistemas de proyección de imagen, y/o sistemas de medida (intensidades, potencias) entre otros. Son imprescindibles conocimientos de programación (Matlab, C#) que permitan el control de semejantes dispositivos.

Pero lo más apasionante de ser Ingeniero Óptico es que, puesto que la Óptica tiene infinidad de aplicaciones, durante tu carrera profesional tienes la oportunidad de aprender y desarrollar multitud de proyectos de temáticas muy alejadas entre sí: desde desarrollar un telescopio para observar las estrellas hasta diseñar un sistema para mejorar la óptica del ojo humano.

Bibliografía:

[1] Unidad Didáctica Ciencia con luz propia. Aplicaciones tecnológicas de la luz: Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECyT) M-26468-2015

[2] Optical engineering. R. M. Scott. Applied optics, 1962 (1) 4

[3] Optical engineering and the Optical Society of America. Jay M.J.M. Eastman. Appliedoptics, 1982 (21) 22

María Viñas Peña.

Doctor en Ciencias Físicas, Máster Ingeniería Óptica, Grado en Óptica.

Investigador Postdoctoral, Laboratorio de Óptica Visual y Biofotónica, Instituto de Óptica, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IO-CSIC).

Y yo quiero ser... Físico Nuclear

 Y yo quiero ser... Físico Nuclear.

Supe de la existencia de una carrera universitaria en la que se estudiaba, sobre todo, física por un antiguo alumno del colegio donde yo estaba cursando el último año de bachillerato, que entonces se denominaba Curso de Orientación Universitaria, el famoso C.O.U. Acababa de terminar el primer trimestre y a una reunión de compañeros se sumó ese ex alumno que me dio la inesperada nueva: él estaba estudiando físicas en la Universidad de Granada. Por aquel entonces yo estaba convencido de que mi futuro iba a estar ineludiblemente ligado a la arquitectura. Pero parece que ese convencimiento no lo tenía suficientemente arraigado y a partir de aquel momento, y casi sin dificultad, torné mi interés hacia aquella entonces extraña Licenciatura en Ciencias Físicas de la que fui acumulando información y cuyos encantos acabaron embelesándome. Lo primero que aprendí al respecto fue que junto a la física se estudiaban muchas matemáticas, pero eso no constituía en mi caso ningún inconveniente: las matemáticas ya eran, junto con la física, objeto de mis preferencias como estudiante y, a diferencia de lo que me ocurría con otras asignaturas, me encontraba muy a gusto con ambas disciplinas. La perspectiva de pasar mi vida bregando con ellas no me resultaba nada desagradable.

¿Qué es la física nuclear?

Tuvieron que pasar cuatro años para que pudiera empezar a desentrañar los misterios de la física nuclear. Bueno, en realidad, supe algo de ella algún tiempo antes, cuando cursé el tercer año de la licenciatura y me topé de lleno con la mecánica cuántica, una disciplina que, aún no sé muy bien porqué, me hizo recuperar en todo su esplendor la ilusión con la que había empezado la carrera. Los números cuánticos, las funciones de onda, el principio de incertidumbre, los constituyentes de la materia, los potenciales, el momento angular, la teoría de colisiones … Todo aquello, que sonaba un poco a ciencia ficción (o directamente a chino según muchos de mis compañeros de clase), se me hizo enseguida familiar y me abrió la puerta a un campo de estudio en el que he seguido trabajando desde entonces y que tiene mucho que ver con la estructura de la materia.

Todos sabemos que la materia está formada por moléculas, unas estructuras más o menos complejas, constituidas por varios átomos. A su vez los átomos contienen un cierto número de electrones que orbitan alrededor de un centro de fuerzas, que tiene carga positiva y que, por medio de la fuerza de Coulomb, atrae a esos electrones. Como estos tienen carga negativa, se repelen mutuamente y son el balance de atracciones y repulsiones, junto con el propio movimiento de los electrones y del centro de fuerzas, los responsables de que los átomos existan como sistemas estables.

La física nuclear es la parte de la física que se concentra en el estudio de ese centro de fuerzas, el núcleo atómico. Aunque los núcleos tienen una estructura aparentemente simple, en realidad resulta muy compleja, con propiedades muy variadas. Para empezar cabe señalar que están constituidos por una amalgama de protones y neutrones que da cuenta de la mayor parte de la masa del átomo en el que se encuentra. Recordemos en este sentido que la masa del protón y la del neutrón (la de éste un poco superior a la de aquél) son, en números redondos, unas 2000 veces la del electrón. Atendiendo a la carga eléctrica, los sistemas atómicos pueden ser neutros, si el núcleo tiene un número de protones igual al de electrones, o, en caso contrario, estar cargados positiva o negativamente, denominándose entonces iones.

Pero como los neutrones son eléctricamente neutros, el número de ellos existente en el núcleo no cambia el estado de carga del átomo. Y no sólo eso: como las propiedades químicas de los átomos están relacionadas directamente con el número de electrones que contienen, el número de neutrones no las afecta. Surge entonces el concepto de isótopo: se llaman isótopos aquéllos átomos que se diferencian sólo en el número de neutrones contenidos en su núcleo, y el nombre proviene de que todos ellos se encuentran “situados” en la misma casilla de la tabla periódica. Los átomos conocidos son, por tanto, los que aparecen en dicha tabla, en la actualidad 118. Pero la existencia de isótopos hace que el número de especies nucleares sean mucho mayor y así, hoy día, son conocidas más de 3000 diferentes.

Estabilidad nuclear.

La existencia de los núcleos atómicos fue puesta de manifiesto en 1911 por Rutherford y sus estudiantes Geiger y Marsden, después de realizar su famoso experimento en el que bombardearon con partículas  blancos de distintos materiales. Una de las primeras cuestiones que quedó clara entonces fue que las dimensiones características de los núcleos eran mucho más pequeñas (unos cinco órdenes de magnitud) que las de las órbitas de los electrones de sus correspondientes átomos; en otras palabras, que la materia que conocemos está, esencialmente, vacía. Pero no fue hasta 1932, coincidiendo con el descubrimiento del neutrón por Chadwick, cuando la estructura de los núcleos empezó a entenderse de manera correcta.

Casi inmediatamente surgió una cuestión muy relevante: ¿cómo es posible que un conjunto de neutrones y protones pueden formar un sistema estable a pesar de que éstos se repelen entre sí debido a su carga positiva? La respuesta resultó simple: existe otra interacción predominantemente atractiva y capaz de contrarrestar esa repulsión. Esa interacción es la denominada fuerza nuclear fuerte, que actúa sobre protones y neutrones y que tiene varias características que la hacen particularmente interesante. De ellas cabe destacar su intensidad, mucho mayor que la de la interacción electromagnética, y su corto alcance, que contrasta con el alcance infinito de ésta. Como consecuencia, la energía de enlace por nucleón (1) resulta ser prácticamente constante para todos los núcleos, del orden de unos 8 MeV/nucleón. Sin embargo, como puede verse en la fig. 1, hay pequeñas variaciones y son los núcleos alrededor del Fe los que presentan un mayor valor de esta cantidad, siendo, por tanto, los núcleos más estables.

¿Significa esto que hay núcleos inestables? La respuesta es sí y es importante señalar que de las 3000 especies nucleares conocidas, a las que antes he aludido, tan sólo poco más de 250 son estables, es decir, que no se ha podido observar, con la instrumentación existente hoy día, que sufran proceso de desintegración alguno. Por el contrario, los núcleos inestables se desintegran; en otras palabras, se transforman en otros núcleos emitiendo radiación o fragmentándose. Los procesos más usuales son los siguientes:

-desintegración , en la que el núcleo emite una partícula , que no es sino un núcleo de ⁴He;

-desintegración , en la que un neutrón del núcleo se convierte en un protón y se emite un electrón (y también un antineutrino);

-desintegración , en la que ocurre lo contrario, esto es, un protón se convierte en un neutrón y de resultas se emite un positrón (la antipartícula del electrón) y un neutrino;

-captura electrónica, proceso en el que el núcleo captura uno de los electrones del átomo en el que se encuentra, un neutrón se convierte en un protón y se emite un neutrino;

-desintegración , en la que un núcleo que queda en un estado excitado después de algún otro proceso, pasa a ocupar otro estado de menor energía emitiendo fotones, y

-fisión nuclear, que conlleva la fragmentación del núcleo en dos núcleos más ligeros y la emisión de varias partículas (como neutrones y fotones). La fisión es la base de la generación de energía en las centrales nucleares y los núcleos susceptibles de sufrirla son los más pesados, los que cuentan con muchos nucleones (ver fig. 1).

Fig. 1: Energía de enlace por nucleón en función del número de nucleones, A, para distintos núcleos. La notación empleada para los núcleos indicados es ^AZ donde Z, el número de protones, se ha sustituido por el símbolo químico del átomo neutro correspondiente. Los núcleos pesados son menos estables que los de la zona del Fe, ya que tienen una energía de enlace por nucleón más baja, y podrían fisionarse, produciendo energía y transformándose en otros núcleos más ligeros, más estables. Por otra parte, dos núcleos ligeros podrían fusionarse, una vez vencida la repulsión coulombiana, dando lugar a otro núcleo más estable y produciendo también energía: estaríamos entonces ante la fusión nuclear.

El escenario es pues más que interesante. Disponemos de un conjunto de varios miles de núcleos, de muy variada composición y que pueden bien ser estables o bien evolucionar de distintas formas. Y no sólo eso sino que, además, las propiedades de estos núcleos pueden ser muy diferentes aún cuando no lo sea el número de los nucleones que los forman. Por ejemplo, el núcleo de ²³⁸Pu tiene un período de semidesintegración de 87.7 años, mientras que el del ²³⁹Pu es de 24110 años y sólo se diferencian en un neutrón. Otro ejemplo: el ¹H es el isótopo del hidrógeno más abundante en la naturaleza (99.98%) mientras que el ²H, que tiene un neutrón más, sólo está presente en un 0.02%. Ambos son estables. Sin embargo el ³H, formado por un protón y dos neutrones, es radiactivo , tiene un período de semidesintegración de 12.32 años y algunas trazas de él pueden encontrarse en la naturaleza cuando se producen, por ejemplo, ciertas reacciones de interacción de rayos cósmicos con la alta atmósfera. Por lo demás se trata de un núcleo artificial que aparece, por ejemplo, en los reactores nucleares debido a las reacciones que ocurren en ellos.

Explicar las propiedades de todos estos sistemas requiere modelos de muy distinta índole que destaquen aquellas características más relevantes en cada caso concreto. La casuística es tal que aún quedan problemas por empezar a explorar. Y no sólo en el propio ámbito de la física nuclear, sino en otros tan aparentemente alejados del mismo como el de la astrofísica. Por citar uno de mucho interés en la actualidad me gustaría mencionar aquí el estudio de la abundancia de los elementos en el universo. La determinación de esa abundancia está ligada a la evolución de las estrellas y ésta, a su vez, al desarrollo de las distintas cadenas de desintegración nuclear en las que la aparición o desaparición de unos u otros núcleos ocurre con una determinada probabilidad que está regida por las propiedades de esos núcleos. No parece pues la física nuclear un mal campo de trabajo, ¿no?

Radiactividad y aplicaciones.

La radiación emitida en los procesos de desintegración antes descritos entra dentro de la clasificación de radiación ionizante, ya que tienen energía suficiente para ionizar las moléculas y los átomos de los materiales con los que interactúan. Estamos hablando de la radiactividad, cuyas aplicaciones son numerosas en la industria y la medicina. Y esto incrementa notablemente las temáticas en las que los conceptos básicos de la física nuclear tienen una salida natural.

De especial interés en mi caso es la física médica, una disciplina a caballo entre física y medicina, en la que se estudian estrategias y aplicaciones de la física para la solución de problemas de índole médica. En ella tiene un papel estelar la radiactividad que ha permitido avanzar, de manera impensable hace tan solo unas décadas, tanto en el diagnóstico como en la terapia. En relación al primero basta mencionar todo lo relativo a la imagen médica (radiografía, mamografía, SPECT, PET, etc.), que tuvo su origen en el descubrimiento de los rayos X por Roentgen a finales del s. XIX. En cuanto a la terapia, no descubro nada nuevo aquí si aludo a las enormes mejoras alcanzadas en el tratamiento del cáncer con fuentes de radiación de muy distinta índole (isótopos radiactivos y aceleradores de electrones, de fotones, de protones y de iones pesados). 

Conclusión.

La física nuclear es una rama de la física que goza a día de hoy de una vitalidad reseñable. Tanto en lo que respecta a los problemas intrínsecamente propios, esto es lo que se refieren a los núcleos y sus propiedades, como los que han derivado de su capacidad para generar nueva ciencia en otras temáticas, como el caso de la física médica, hacen de ella una disciplina que contempla un sinfín de enfoques diferentes para la solución de las cuestiones abiertas. Se trata pues de una ciencia apasionante en la que aún queda mucho por hacer y las opciones de trabajo son reales. Las puertas están abiertas de par en par para los entusiastas.

Notas:

(1)Nucleón significa partícula constituyente del núcleo y hace referencia indistintamente a un protón o a un neutrón.

Antonio M. Lallena Rojo.

Doctor en Ciencias Físicas.

Catedrático de Física Atómica, Molecular y Nuclear.

Universidad de Granada.

Y yo quiero ser... Alquimista (Radioquímico)

Y yo quiero ser... Alquimista (Radioquímico)

Yo siempre quise ser como Nicolás. ¡El Pequeño no! Ese vino después (1). Quise ser como el original, el auténtico: Nicolás Flamel. Ése que hace casi 700 años dejó atrás la pequeña librería que regentaba en París, y persiguiendo las ilusiones transmitidas por un ángel que se le había aparecido en sueños, se marchó en busca de la Piedra Filosofal, la que le daría las claves para poder convertir cualquier metal en oro y gozar de la vida eterna. Cuenta la leyenda que lo consiguió, que amasó una importante fortuna transformando mercurio en oro y que tras su muerte, los que profanaron su tumba en busca de la Piedra no encontraron rastros ni de la Piedra ni de su cuerpo. Quien sabe… puede que aun esté entre nosotros. Unos cuantos siglos después, los misterios que rodearon a Nicolás y a otros alquimistas de la época siguen siendo eso: misterios. Y la existencia de la Piedra Filosofal, una leyenda. Pero a día de hoy sabemos que la transmutación de la materia (convertir un elemento en otro) es posible. ¡Y no solo eso! Sabemos que es útil. No para enriquecernos. Tampoco para alcanzar la inmortalidad. Pero sí para conocer un poco más acerca de cómo funcionamos, cuándo y por qué enfermamos e incluso cómo curarnos.

La historia de cómo me convertí en alquimista tiene, como todo en la vida, mucho de azar. Dijo John Lennon que la vida es aquello que te pasa mientras estas ocupado haciendo otros planes. Corría el año 2002. Hacía dos días que había defendido mi tesis doctoral y no tenía una idea muy clara de hacia dónde ir. Salió un puesto de trabajo para llevar un ciclotrón. Sin saber aun lo que era eso, solicité el trabajo y me entrevistaron. Una semana después me llamaron para darme el puesto y acepté. Eso ocurrió 20 minutos antes de recibir otra oferta de trabajo en una industria química, que habría también aceptado sin dudarlo y que me hubiera convertido en otra cosa. Dos meses más tarde se rumoreaba que la primera llamada la recibí porque confundieron mi teléfono con el de otro candidato. La suerte se había puesto de mi parte: aun no lo sabía… pero ¡Ya era un alquimista!

 

El ciclotrón o la Piedra Filosofal.

El ciclotrón es la piedra filosofal del S. XXI. Con él transmutamos la materia y su funcionamiento es conceptualmente sencillo. Un ciclotrón de los utilizados más comúnmente es un equipo cilíndrico de unos 2 metros de alto por 2 metros de diámetro que pesa unas 25 toneladas y cuesta algo más de 1 millón de euros. En él se aceleran pequeñas partículas (generalmente protones, partículas subatómicas con carga eléctrica positiva) hasta que alcanzan velocidades de varios miles de kilómetros por segundo. Cuando estas partículas aceleradas colisionan con cualquier material, se produce una reacción muy violenta y dependiendo de las propiedades del material que ha sufrido el impacto, puede darse una reacción nuclear. Así, por ejemplo, si se irradia con protones acelerados un átomo de nitrógeno, elemento que constituye aproximada-mente el 80% del aire que respiramos y cuyo núcleo está formado por 7 protones y 7 neutrones, el protón incidente se queda en el núcleo del átomo de nitrógeno y como conse-cuencia del impacto se emite una partícula alfa (partícula formada por dos protones y dos neutrones). El balance neto global para el átomo de nitrógeno es que pierde un protón y dos neutrones, convirtiéndose en un átomo de carbono-11 (Fig. 1). Nicolás estaría orgulloso… ¡Hemos transmutado la materia!

Fig. 1. Formación de un átomo de ¹¹C mediante bombardeo de un átomo de nitrógeno con protones acelerados. En la parte superior se indican el número de protones (p⁺) y de neutrones (n) de cada núcleo.

El átomo de Carbono-11 formado (también notado ¹¹C) tiene un exceso de energía, no se siente cómodo y tiende a pasar de manera espontánea a un estado menos energético. Este fenómeno, que se conoce como radiactividad, va acompañado de la emisión de radiación. En el caso concreto del átomo de ¹¹C el proceso radiactivo conlleva la emisión de un positrón (β⁺, como un electrón pero con carga positiva), transformando el átomo de ¹¹C en un átomo de boro-11 (Fig. 2a). Nicolás estaría celoso… ¡Hemos transmutado la materia por segunda vez! El positrón emitido colisiona con átomos vecinos y va perdiendo energía cinética (disminuye su velocidad), hasta que se queda prácticamente parado. En este momento reacciona con un electrón, desapareciendo y generando fotones gamma (“luz” de alta energía que nuestros ojos no pueden ver; Fig. 2b). Nicolás estaría furioso… No sólo transmutamos la materia: ¡La transformamos en energía!

Fig. 2. (a) Fenómeno radiactivo por el cual un átomo de ¹¹C pasa a un estado más estable emitiendo un positrón. Nótese que el átomo de ¹¹C se transforma en un átomo de boro. En la parte superior se indican el número de protones (p+) y de neutrones (n) de cada núcleo; (b) el positrón emitido pierde su energía cinética, reacciona con un electrón y desaparece formando fotones gamma.

 

Y todo esto… ¿para qué?

Todos tenemos algún familiar o conocido que padece o ha padecido cáncer. Alguien que un día se notó un bulto en alguna parte del cuerpo, o se empezó a encontrar mal, o perdió visión repentinamente. También es posible que conozcamos a alguien de avanzada edad que en cierto momento empezó a olvidar cosas, o que simplemente salió de casa y no supo encontrar el camino de vuelta por sí mismo. Síntomas clínicos que, combinados con pruebas médicas, seguramente permitieron establecer un diagnóstico y eventualmente aplicar un tratamiento posiblemente paliativo. Curiosamente, hoy en día sabemos que antes, mucho antes de la aparición de los síntomas clínicos (en ocasiones años), existen alteraciones a nivel molecular que no podemos ver o percibir, pero que están ahí. También sabemos que, una vez diagnosticada una enfermedad y aplicado un tratamiento, la respuesta a dicho tratamiento empieza también a nivel molecular, y se traduce posteriormente en una mejora de los síntomas clínicos. Y podríamos preguntarnos: Si fuéramos capaces de detectar esas alteraciones moleculares, ¿podríamos detectar las enfermedades mucho antes y en consecuencia conseguir que los tratamientos fueran más efectivos? Y ¿podríamos ver de manera mucho más eficiente si el tratamiento prescrito es efectivo? Las respuestas a estas preguntas son sí y sí, gracias en parte (y sólo en parte) a los alquimistas.

 

La alquimia y su rol en el diagnóstico clínico.

Como se ha explicado anteriormente, los átomos de ¹¹C generados con la ayuda del ciclotrón emiten positrones de manera espontánea, y los positrones acaban generando fotones gamma. Dejando el fenómeno radiactivo aparte, el ¹¹C se comporta exactamente igual que su isótopo estable (el carbono-12 ó ¹²C), que está presente en todas las moléculas orgánicas que existen. Visto de otra forma, tenemos la posibilidad de coger cualquier molécula orgánica que se nos ocurra y sustituir cualquiera de sus átomos de ¹²C por un átomo de ¹¹C. La molécula resultante tendrá exactamente el mismo comportamiento químico y biológico que la original, pero gracias a que contiene un átomo de ¹¹C, emitirá rayos gamma. ¡Basta con detectar esos rayos gamma para saber en todo momento dónde está la molécula! Y la detección de esos rayos gamma es hoy en día posible. Actualmente, podemos administrar a un paciente un fármaco que contenga un átomo de ¹¹C, y mediante cámaras especializadas, podemos obtener imágenes 3D que nos permitirán saber en cada momento dónde se encuentra el fármaco. Con esas imágenes, se puede obtener información fundamental para conocer qué pasa dentro de nuestro cuerpo, y si existen alteraciones que puedan asociarse a enfermedades.

 

Un ejemplo concreto: la Enfermedad de Alzheimer.

La Enfermedad de Alzheimer (EA) es una enfermedad neurodegenerativa cuyos síntomas clínicos más habituales son la pérdida de la memoria y de otras capacidades mentales. Sin embargo, muchos años antes de que aparezcan estos síntomas tienen lugar en el cerebro diferentes procesos biológicos, y uno de ellos es la aparición de unos conglomerados de proteína microscópicos denominados placas seniles. En otras palabras… si pudiéramos detectar la presencia de placas seniles antes de la aparición de los síntomas clínicos, podríamos efectuar un diagnóstico mucho más precoz de esta enfermedad. Y es aquí donde entra en juego la alquimia. Los alquimistas (o como se nos llama hoy en día, radioquímicos) generamos ¹¹C y lo utilizamos para preparar una molécula denominada [¹¹C]PIB (Fig. 3a; nótese que uno de sus átomos de carbono es ¹¹C). Esta molécula, que se administrada a los pacientes por vía intravenosa, es capaz de pasar de la sangre al cerebro y unirse a las placas seniles. Por lo tanto, aquellos cerebros afectados por EA (que contienen un gran número de placas seniles) tenderán a acumular mucho más las moléculas de [¹¹C]PIB que los cerebros sanos (Fig. 3b y 3c). El ¹¹C, integrante de la molécula de [¹¹C]PIB, sufrirá la desintegración radiactiva con la consecuente emisión de positrones y finalmente de rayos gamma, que pueden detectarse con unos detectores especiales denominados cámaras tomográficas (Fig. 3d). La detección de dichos rayos gamma permitirá obtener imágenes que nos ofrecerán información acerca de la concentración de [¹¹C]PIB en cada región cerebral (Fig. 3e), permitiéndonos discernir entre pacientes sanos y pacientes afectados por EA.

Fig. 3. (a) Estructura química de la molécula de [¹¹C]PIB. Nótese que uno de sus átomos de carbono-12 ha sido reemplazado por un átomo de ¹¹C. Por simplicidad, la molécula se representa como una estrella roja en 2c y 2e; (b) representación esquemática de un cerebro afectado por EA (izquierda) y un cerebro sano (derecha). Los puntos negros representan placas seniles; (c) tras inyectar [¹¹C]PIB, éste se acumula en las zonas donde hay alta densidad de placas seniles; (d) Los pacientes son sometidos a un estudio mediante el cual se detectan los rayos gamma procedentes de la desintegración del ¹¹C; (e) se obtienen imágenes del cerebro en las que la intensidad de señal es proporcional a la cantidad de placas seniles, permitiendo determinar de manera no invasiva y precoz si un paciente sufre o no EA.

 

La alquimia más allá de la detección de EA.

El concepto general de administrar a un paciente (o voluntario sano, o animal de experimentación) una molécula marcada con ¹¹C (o con otro átomo que emita positrones) y obtener imágenes tiene muchísimas aplicaciones que van mucho más allá de diagnosticar enfermedades neurodegenerativas. Esta estrategia se utiliza también para diagnosticar y evaluar la respuesta al tratamiento de muchos tipos de cáncer, enfermedades cardiovasculares, inflamación e infecciones, entre otras. Además, resulta extremadamente útil en el proceso de desarrollo de nuevos fármacos. Por ejemplo, cuando una industria farmacéutica desarrolla una nueva molécula que podría curar alguna enfermedad, es necesario efectuar estudios para determinar cuál es la mejor ruta y pauta de administración, la dosis óptima, la posible toxicidad, las rutas de eliminación, cómo se metaboliza (esto es, como se rompe) el fármaco dentro del cuerpo, etc. Todo esto es posible utilizando la radioquímica… disciplina apasionante que combina conocimientos de química, ingeniería y física y que requiere de la interacción íntima e ininterrumpida con la biología, la farmacia y la medicina. Una disciplina que como tal no se recoge en los programas educativos de enseñanza superior. Una disciplina con más futuro que pasado y que necesita energías renovadas. ¿Te animas?

Notas:

(1). Estudiante español de Derecho, que se hizo célebre cuando fue detenido en octubre de 2014 acusado de diversos delitos.

Jordi Llop Roig.

Doctor en Química.

Investigador Principal, CIC biomaGUNE.