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El robot CERN-MEDICIS produce isótopos para la investigación médica

CERN-MEDical Isotopes Collected from ISOLDE ( MEDICIS ) es una instalación ubicada en el Isotope Separator Online DEvice (ISOLDE) del CERN , diseñada para producir isótopos de alta pureza para el desarrollo de la práctica del diagnóstico y tratamiento de pacientes. [ 1 ] La instalación se inició en 2010, y sus primeros radioisótopos ( terbio-155 ) se produjeron el 12 de diciembre de 2017. [ 2 ]

El blanco utilizado para producir núcleos radiactivos en la instalación ISOLDE solo absorbe el 10 % del haz de protones. [ 3 ] MEDICIS coloca un segundo blanco detrás del primero, que es irradiado por el 90 % restante del haz de protones . Luego, el blanco se traslada a un sistema de separación de masas fuera de línea y se extraen los isótopos del mismo. [ 4 ] Estos isótopos se implantan en una lámina metálica y pueden ser entregados a centros de investigación y hospitales. [ 5 ]

MEDICIS es un laboratorio nuclear de clase A y tiene en cuenta varios procedimientos de radioprotección para prevenir la irradiación y la contaminación. [ 6 ]

Fondo

Un isótopo de un elemento contiene el mismo número de protones , pero un número diferente de neutrones , lo que le confiere un número másico distinto al del elemento en la tabla periódica. Los isótopos con una gran variación en el número de nucleones se desintegran en núcleos más estables y se conocen como radionúclidos o radioisótopos .

El campo de la medicina nuclear utiliza radioisótopos para diagnosticar y tratar pacientes. La radiación y las partículas emitidas por estos radioisótopos pueden utilizarse para debilitar o destruir células diana, por ejemplo, en el caso del cáncer . Para el diagnóstico, se administra una dosis radiactiva al paciente y se monitoriza su actividad para estudiar la funcionalidad del órgano diana. Los trazadores utilizados en este proceso suelen ser isótopos de vida corta. [ 7 ]

Los radiofármacos de diagnóstico se utilizan para examinar la funcionalidad de los órganos, el flujo sanguíneo, el crecimiento óseo y otros procedimientos diagnósticos. Los radioisótopos necesarios para este procedimiento deben emitir radiación gamma de alta energía y corta vida media para que se desintegren rápidamente en el organismo. [ 8 ] Actualmente existe una tendencia a utilizar isótopos producidos en ciclotrón , ya que su disponibilidad es cada vez mayor. [ 7 ]

Emisión de positrones del flúor-18

La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de imagen que utiliza radioisótopos, producidos generalmente con un ciclotrón . [ 9 ] Estos se inyectan en el paciente, se acumulan en el tejido diana y se desintegran mediante la emisión de positrones . El positrón se aniquila con un electrón cercano, lo que produce la emisión de dos rayos gamma ( fotones ) en direcciones opuestas. Una cámara PET detecta estos rayos y permite obtener información cuantitativa sobre el tejido diana. [ 10 ]

Los radiofármacos terapéuticos se utilizan para destruir o debilitar células disfuncionales, mediante un radioisótopo localizado en un órgano específico. Este proceso se denomina terapia con radionúclidos (TRN) y utiliza radioisótopos de protones pesados ​​(ubicados en la zona noroeste del diagrama de nucleidos ) que se desintegran mediante emisión beta o alfa . [ 11 ]

Instalación y proceso

Anuncio MEDICIS de construcción inicial en 2013

La instalación MEDICIS está ubicada en la extensión del edificio 179 en el sitio CERN Meyrin, junto al edificio ISOLDE. [ 12 ] La instalación fue establecida por el CERN en 2010, junto con contribuciones del Fondo de Transferencia de Conocimiento del CERN, así como recibiendo una beca de formación Marie Skłodowska-Curie de la Comisión Europea bajo el título MEDICIS-PROMED. [ 13 ] [ 14 ] La construcción de la instalación comenzó en septiembre de 2013 y se completó en 2017. [ 15 ] [ 4 ]

ISOLDE dirige un haz de protones de 1,4 GeV desde el Proton Synchrotron Booster (PSB) hacia un blanco grueso, cuyo material depende de los isótopos que se desean producir. Solo el 10 % del haz de protones utilizado en la instalación ISOLDE es absorbido por el blanco, mientras que el resto impacta en el absorbedor de haz . [ 16 ] MEDICIS utiliza estos protones desperdiciados para irradiar un segundo blanco, que produce isótopos específicos, ubicado detrás de cada una de las estaciones de blancos de ISOLDE, el Separador de Alta Resolución (HRS) y el Separador de Propósito General (GPS). [ 4 ] Alternativamente, la instalación utiliza blancos preirradiados proporcionados por instituciones externas. [ 17 ] MEDICIS fue una de las pocas instalaciones que operaron durante el Cierre Largo 2, debido a que se le proporcionaron 34 materiales de blanco irradiados externamente. [ 4 ]

MEDICIS Promed formación con el premio Nobel Kostya Novozelov

Debido a los altos niveles de radiación, los blancos se transfieren desde la estación de irradiación a la línea de haz de separación de masas de radioisótopos mediante un sistema automatizado de transporte por rieles (RCS). [ 2 ] [ 4 ] Se utiliza un robot KUKA para transportar el blanco a la estación, donde se puede recolectar el isótopo de interés y purificarlo radioquímicamente. [ 18 ] Esto se hace calentando el blanco a temperaturas muy altas, a menudo superiores a 2000 °C, lo que provoca la difusión de los isótopos especificados. Los isótopos se ionizan y aceleran mediante una fuente de iones para ser enviados a través de un separador de masas. El separador de masas extrae el isótopo de interés para que pueda ser implantado en láminas delgadas de oro con un recubrimiento metálico o de sal en una sola cara. [ 19 ] [ 20 ]

En 2019, el sistema de fuente de iones láser MEDICIS en el CERN (MELISSA) entró en pleno funcionamiento, incluyendo los láseres individuales, los sistemas auxiliares y de control, y el transporte del haz óptico. [ 21 ] El laboratorio láser MELISSA ha contribuido a aumentar con éxito la eficiencia de separación y el rendimiento de los isótopos. [ 17 ] [ 4 ] El láser excita únicamente los isótopos del elemento deseado, lo que permite una separación isotópica selectiva de elementos para una masa atómica dada de otros isóbaros mediante el separador de masas. [ 22 ]

Se utiliza un carro blindado para recuperar las muestras después de que se hayan recogido los radioisótopos, con el fin de evitar el riesgo de contaminación. [ 20 ] Una vez que se termina de usar el objetivo, se envía a una celda caliente para ser desmantelado de forma segura y depositado en contenedores de residuos.

Caja de guantes en el nanolaboratorio de MEDICIS.

Una vez recolectadas, las muestras pueden enviarse a hospitales y centros de investigación con el propósito de desarrollar protocolos de imagen, tratamiento y terapia para pacientes. [ 23 ]

Además, junto a las instalaciones de MEDICIS, hay un laboratorio de nanotecnología diseñado para el desarrollo y ensamblaje de nanomateriales . [ 24 ] Los nanomateriales están sellados en una caja de guantes , lo que significa que no hay contacto con el entorno exterior. [ 25 ] Se basa en el desarrollo de los primeros objetivos nanoestructurados utilizados para la producción de isótopos y aprovecha aún más los desarrollos iniciados en MEDICIS-Promed bajo la dirección del Prof. "Kostya" Novozelov.

Proyectos y resultados

Terapia dirigida

Varios lantánidos producidos en CERN-MEDICIS, samario y terbio, son de interés para la terapia dirigida, al igual que el lutecio, que ya se utiliza en la práctica clínica. [ 26 ] El lutecio emite partículas β de baja energía y corto alcance, utilizadas para la irradiación de tumores de menor volumen . [ 27 ] El terbio-149 emite partículas alfa de corto alcance, rayos gamma y positrones en su esquema de desintegración, lo que lo hace adecuado para la terapia alfa dirigida . El estudio particular del 149Tb producido por ISOLDE se ha centrado en la terapia del receptor de folato , prominente en el cáncer de ovario y de pulmón . [ 26 ] [ 28 ]

Se determinó que el 153Sm , producido en el reactor BR2 del SCK CEN y sometido a una posterior separación de masas mediante MEDICIS para aumentar su actividad molar, era adecuado para la terapia con radionúclidos dirigida (TRNT) en un proyecto de investigación de prueba de concepto. [ 29 ] Emite partículas β de baja energía y picos gamma, y ​​presenta una vida media aceptable para la logística y la atención ambulatoria, lo que lo convierte en un candidato idóneo para los enfoques teranósticos.

teranóstica

Imágenes SPECT-CT a (a) 4 horas después de la inyección y (b) 24 horas después de la inyección.

La teranóstica, un tratamiento que combina terapia y diagnóstico , es una nueva tendencia en la medicina de precisión donde los radioisótopos producidos en MEDICIS ya han impulsado proyectos de investigación. La estrategia que utiliza la instalación consiste en encontrar un elemento que tenga dos radioisótopos, utilizados por separado para diagnóstico por imagen y terapia. [ 30 ]

El terbio es un elemento prometedor para su uso en teranóstica, ya que cuenta con cuatro radioisótopos diferentes para su uso en terapia e imágenes PET o SPECT . En 2021, se logró la producción de radioisótopos de Tb con la fuente de iones láser MELISSA, obteniendo una eficiencia de ionización del 53 % por estudiantes de MEDICIS-Promed. [ 31 ] Desde 2021, se han producido otros tres isótopos no convencionales de interés para imágenes PET o aplicaciones terapéuticas. [ 32 ]

La exploración de la masa separada de 153 Sm en MEDICIS mediante estudios biológicos in vitro demostró que la capacidad de los tumores para absorber (captación) y retener sustancias (retención) mejoró en comparación con los tejidos normales. Se obtuvieron tomografías SPECT-CT de ratones después de la inyección y se observó una actividad depurada después de veinticuatro horas. [ 33 ]

Participación en PRISMAP

El programa PRISMAP (Producción de isótopos de alta pureza mediante separación por masas para aplicaciones médicas) es el programa europeo de radionúclidos médicos, cuyo objetivo es proporcionar una fuente sostenible de radioisótopos de alta pureza para la medicina. [ 34 ] [ 35 ] El programa reúne a 23 beneficiarios de 13 países para crear un único punto de acceso para la comunidad de usuarios de isótopos médicos. [ 36 ] La instalación MEDICIS proporciona la separación por masas de isótopos, que luego pueden transportarse a centros de investigación cercanos que albergan a investigadores externos para limitar el transporte a larga distancia de las muestras. [ 37 ]

Referencias

  1. ↑ "CERN-MEDICIS (Isótopos médicos recolectados de ISOLDE): Una nueva instalación" . MDPI . Consultado el 5 de enero de 2025 .
  2. 1 2 "MEDICIS muestra su fuerza" . CERN Courier . 18 de diciembre de 2020. Consultado el 10 de julio de 2023 .
  3. ↑ "CERN-MEDICIS produce los primeros isótopos médicos" . Physics World . 13 de diciembre de 2017. Consultado el 10 de julio de 2023 .
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  • Sitio web oficial
  • Página MEDICIS dentro del sitio web del CERN