Diseñan dosímetros ultrarresistentes a la radiación para ser aplicados en un nuevo tipo de radioterapia avanzada

_{Imagen principal: Montaje preliminar del detector de carburo de silicio para los tests de prueba. Héctor Cabezas (IMB-CNM).}

Una investigación única en Europa liderada por el Instituto de Microelectrónica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC), con el proyecto DOSIFLASH, y financiada por la Fundació ”la Caixa” con un millón de euros, está creando el primer monitor de dosis del mundo para facilitar la implementación en hospitales de una nueva modalidad de radioterapia llamada FLASH, todavía en fase de ensayos preclínicos y clínicos, pero considerada como una de las más innovadoras de los últimos años. El dispositivo está basado en una nueva microtecnología ultrarresistente a la radiación extrema, más precisa y económica que las alternativas actuales.

La radioterapia FLASH consiste en aplicar “disparos” de radiación con dosis más altas que las dadas en radioterapia convencional y en fracciones de segundo. Esto reduce considerablemente el posible daño en los tejidos sanos colindantes al tumor tratado. Los ensayos preclínicos están mostrando que se reduce la probabilidad de complicaciones en el tejido sano a largo plazo, uno de los principales problemas de la radioterapia convencional a altas dosis. Este efecto se ha confirmado a través de estudios con diferentes modelos animales y en diversos órganos sanos (pulmones, cerebro, glándulas salivales, intestinos, piel y médula ósea). Como ventaja adicional, la reducción del tiempo de tratamiento a menos de 500 milisegundos reduce las incertidumbres asociadas al movimiento de los órganos, que pueden ser muy críticas en el caso del pulmón.

Medir las dosis a tasas ultrarrápidas (UHDR por sus siglas en inglés) supone un desafío tecnológico porque los dosímetros habituales, con los se mide la radiación dada a los pacientes, se saturan o dañan. Actualmente, la dosimetría en FLASH se realiza principalmente con dosímetros “pasivos” que requieren largos tiempos de análisis. Una alternativa es usar dosímetros "activos" hechos de diamante.  Sin embargo, es muy costoso. 

Una alternativa más eficiente

El IMB-CNM-CSIC ha diseñado y fabricado nuevos dosímetros buscando una alternativa más eficiente a los actuales de diamante. Se ha verificado la eficiencia del primer prototipo en varios aceleradores de partículas de investigación básica en España, cuyos resultados se han publicado recientemente en la revista Medical Physics. Actualmente se está finalizando un segundo prototipo, más avanzado y con cientos de dosímetros, que será probado en diferentes instalaciones clínicas europeas en los próximos meses.

"El objetivo de buscar nuevos materiales muy resistentes a la radiación es conseguir dispositivos que puedan soportar las dosis tan altas dadas en FLASH en microsegundos, y que sean económicamente viables para fabricar grandes cantidades. Nosotros proponemos microdetectores de partículas creados con carburo de silicio, que es una alternativa rentable y eficiente frente a los de diamante, con los que sería inviable crear un monitor de dosis grande, de varios centímetros, como el que estamos montando actualmente", indica Consuelo Guardiola, investigadora del IMB-CNM-CSIC y líder del proyecto.

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto de silicio y carbono casi tan resistente como el diamante y mucho más sencillo de conseguir, aunque el desarrollo tecnológico para crear dosímetros ha sido largo y complejo. El uso de diodos de SiC para dosimetría FLASH en el IMB-CNM lo inició la científica Celeste Fleta, miembro del equipo, en el marco de un proyecto europeo (EMPIR-UHDPulse). Desde entonces, los primeros experimentos con haces de partículas se han hecho en el Centro Nacional de Aceleradores en Sevilla (CNA) y en el Instituto Curie (Francia), en colaboración con Carmen Jiménez y Sophie Heinrich, también del proyecto financiado por Fundación ”la Caixa”.

Más verificaciones se han llevado a cabo en el Centro de Micro-Análisis de Materiales de Madrid (CMAM), en colaboración con Gastón García y los investigadores Paula Ibáñez y Daniel Sánchez-Parcerisa, de la Universidad Complutense de Madrid (UCM). En ellos, los dosímetros “se han probado en condiciones FLASH tanto con electrones como con protones”, agrega Guardiola.

El investigador postdoctoral del IMB-CNM Iván López, primer autor del estudio publicado, también señala el éxito de alcanzar con estos dosímetros las dosis más altas reportadas hasta ahora con este material. Si bien una sesión de radioterapia convencional suele ser de unos 2 Gray (Gy, energía absorbida por el tejido), con estos dosímetros se ha demostrado una “respuesta positiva en pulsos de hasta 25 Gy por pulso”. Además, añade, “hemos sido capaces de medir la forma y distribución del haz de radiación” con una pequeña matriz de estos dosímetros en tiempo real por primera vez y la estructura temporal de los pulsos en el Instituto Curie con electrones FLASH.

Los próximos pasos también incluyen validar la funcionalidad de cientos de dosímetros con una electrónica multicanal para cada uno de ellos, tarea que lidera otro colaborador del consorcio, el profesor Faustino Gómez de la Universidad de Santiago de Compostela (USC). Además, se está desarrollando una interfaz gráfica para ver las distribuciones de dosis en tiempo real con el objetivo de integrar esta información en los planes de tratamiento clínicos.

“La meta es crear lo antes posible el primer monitor de dosis en tiempo real, funcional y accesible, para ayudar a implementar la terapia FLASH, que podría mejorar la calidad de vida de los pacientes tratados con esta nueva modalidad”, indica Guardiola. Esto está alineado con el compromiso de transferir a la sociedad la tecnología única desarrollada en la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del IMB-CNM y de crear consorcios colaborativos, con experiencias complementarias, para enfrentar retos acuciantes de la física médica actual.

Investigación contra el cáncer

El cáncer es la principal causa de muerte en el mundo, según la Organización Mundial de la Salud (OMS). Solo en España, la Sociedad Española de Oncología Médica recoge que en 2024 se diagnosticaron 286.664 casos. El efecto FLASH se está estudiando desde hace una década con intensidad y es una prometedora respuesta para mejorar los tratamientos de los próximos años.

La investigación se realiza en el marco de DOSIFLASH, un proyecto financiado por la Fundación ”la Caixa” coordinado por la investigadora Consuelo Guardiola. Los otros colaboradores incluyen el CNA, la USC y el Institut Curie en París.

Dos instalaciones con el sello de Infraestructura Científica y Técnica Singular (ICTS), del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, permiten llevar a cabo la complejidad del proyecto: la Sala Blanca del IMB-CNM y los aceleradores del CNA..

Radioterapia FLASH

Desde el primer ensayo con éxito en 2019, en un paciente con linfoma cutáneo en el Hospital Universitario de Laussanne (Suiza), esta institución ha puesto en marcha el ensayo clínico LANCE para cánceres de piel. En Estados Unidos, en el Centro Médico del Hospital Infantil de Cincinnati (CCHMC), han lanzado tres ensayos clínicos con pacientes desde 2023, para tratamientos paliativo de metástasis óseas en extremidades (ensayo FAST-01). Una continuación en curso de este ensayo está investigando las toxicidades del tratamiento con protones FLASH en pacientes con metástasis óseas torácicas (FAST-02). Ante estos resultados, las comunidades médicas y científicas están trabajando conjuntamente para llevar a cabo más estudios que sirvan de base para diseñar ensayos clínicos con protocolos consensuados que permitan la intercomparación de los resultados y acelerar así su implementación en hospitales. Es en este contexto donde existen varios desafíos tecnológicos para garantizar una transición segura y metódica. En particular, para replicar el efecto biológico FLASH entre instituciones, se requiere de dosímetros consistentes y precisos. 

Galería de imágenes

• El equipo del IMB-CNM detrás de los experimentos y la publicación. De izquierda a derecha: Celeste Fleta, Consuelo Guardiola, Ángela Henao e Iván López.
• Oblea de carburo de silicio procesada en la Sala Blanca del IMB-CNM con los detectores antes de ser cortados.
• Montaje preliminar del detector de carburo de silicio para los tests de prueba. Imagen: Héctor Cabezas (IMB-CNM). 
• Montaje del detector en el acelerador de partículas del CMAM para experimento.