Más de 70 años de desarrollo tecnológico en aceleradores de partículas para la salud e investigación

Hace 92 años, el 28 de abril de 1932, los físicos John Cockcroft y Ernest Walton anunciaron que habían conseguido dividir el núcleo de un átomo por primera vez con partículas subatómicas aceleradas artificialmente. Habían alcanzado el logro dos semanas antes en el laboratorio Cavendish de Cambridge, Inglaterra, con un acelerador de partículas que crearon para bombardear átomos de litio y convertirlos en otros elementos, como helio. Por su descubrimiento, en 1951 recibieron el Premio Nobel de Física. En 1953, en la sede central de la Comisión Nacional de Energía Atómica comenzó a funcionar el acelerador lineal Cockcroft-Walton, el primero de la Argentina.

Desde entonces, el organismo está a la vanguardia en materia de aceleradores de partículas y actualmente los desarrolla y construye con tecnología propia. Estas máquinas producen partículas cargadas, como protones, electrones o iones de otros átomos más pesados, y utilizan campos electromagnéticos para acelerarlas y hacerlas colisionar con núcleos, átomos o materiales inorgánicos o biológicos. Los haces de las partículas aceleradas sirven, por ejemplo, para conocer mejor o modificar las propiedades de los materiales, pero también se utilizan en campos tan diversos como la medicina y la radiobiología, el monitoreo del medio ambiente, la producción de energía, la prospección petrolífera y hasta para el análisis de piezas de arte o arqueológicas.

La Subgerencia Tecnología y Aplicaciones de Aceleradores de la CNEA está dedicada al desarrollo tecnológico de aceleradores de iones, los dispositivos asociados y sus múltiples aplicaciones para promover actividades de investigación y servicios especializados. Su sede está en el Centro Atómico Constituyentes, donde se erige el TANDAR, un acelerador con una torre de 73 metros de altura que comenzó a operar en 1986. En esta mini-máquina de Dios se pueden energizar núcleos de átomos de cualquier elemento de la tabla periódica, como el oxígeno o el uranio. También es posible simular las reacciones que ocurren dentro de las estrellas o reproducir las partículas que circulan en el espacio más allá de la atmósfera terrestre.

Interior del Tandar emplazado en el Centro Atómico Constituyentes.

En los últimos años se sumó el desarrollo de aceleradores de partículas que producen neutrones para la Terapia por Captura Neutrónica en Boro (BNCT, por sus siglas en inglés), una modalidad de tratamiento contra el cáncer que se encuentra en etapa de ensayo clínico. También se trabaja en una adaptación de esos aceleradores para producir radioisótopos.

Aceleradores para la Vida

La Terapia por Captura Neutrónica en Boro (BNCT) consiste en la administración de un fármaco al paciente que es absorbido selectivamente por las células tumorales y que incorpora boro 10 en su estructura molecular. Este último es un isótopo no radiactivo del boro que tiene la característica de absorber neutrones muy eficientemente. Con un acelerador se producen neutrones que luego se moderan para llevarlos a bajas energías. Cuando ingresan al organismo son absorbidos sólo por las células marcadas con boro, que son las cancerosas. De esta manera, se minimiza el impacto en las células sanas. Por sus características, esta terapia puede ser de gran utilidad para tratar tumores infiltrantes difusos, que no pueden ser abordados con radioterapia convencional porque las células tumorales se encuentran dispersas.

Inicialmente, las pruebas para desarrollar esta terapia se hicieron en el reactor RA-6, ubicado en el Centro Atómico Bariloche. Pero un centro atómico no es un hospital. En el marco del proyecto “Aceleradores para la Vida” (gran premio INNOVAR 2023), el doctor en Física Andrés Kreiner, subgerente de Tecnología y Aplicaciones de Aceleradores de la CNEA, con su grupo desarrolla un acelerador capaz de generar neutrones y que sí puede ser instalado en un centro de salud.

“Desarrollamos una máquina conformada por módulos de 240.000 voltios cada uno, que son apilados para así sumar tensión. Para acelerar partículas aptas para BNCT hacen falta algo menos de 1,5 millón de voltios”, explica Kreiner. En 2022, la CNEA le vendió un prototipo de este acelerador de un módulo al KIRAMS, el Instituto Coreano de Ciencias Médicas y Radiológicas.

Técnicos de CNEA en la instalación del acelerador Kirams en Corea del Sur.

Ahora, se está trabajando para adaptar un acelerador de un módulo similar al vendido a Corea para producir radioisótopos. “En el acelerador se producen neutrones para generar una reacción nuclear que a su vez genera molibdeno 99. Este radioisótopo tiene un tiempo de vida media de 66 horas y después decae en tecnecio 99. Este último tiene un período de desintegración de 6 horas y se utiliza en medicina nuclear para estudios de diagnóstico con imágenes”, precisa Kreiner.

“La posibilidad de generar tecnecio con un pequeño acelerador permite independizarse de una máquina grande, como es un reactor, y de toda la logística que implica distribuir ese isótopo en diferentes lugares del país y del exterior. El acelerador que estamos diseñando se puede instalar en un centro de producción o en un hospital donde hay mucha demanda, para distribuir los radioisótopos por toda su zona de influencia”, agrega el científico.

En marzo, Kreiner recibió el premio Hatanaka Award 2024, que otorga la Sociedad Internacional para la Terapia por Captura Neutrónica, por “sus contribuciones destacadas al avance del programa BNCT en Argentina, así como por su liderazgo científico ejemplar a escala global en diseño y construcción de aceleradores para aplicaciones BNCT”. Además, en 2023 recibió un Diploma al Mérito en los premios Konex en la categoría de Desarrollo Tecnológico.

Del primer acelerador al moderno ciclotrón para protonterapia

La CNEA impulsa actividades de investigación y desarrollo con aceleradores desde sus inicios. Después de la llegada del Cockcroft-Walton en cascada de 1,2 MV, el 28 de septiembre de 1954 también se incorporó un sincrociclotrón (foto de apertura) de 180 centímetros, el primero de Sudamérica, que permitía acelerar deuterones y partículas alfa. Ambas máquinas estuvieron operativas hasta fines de los años 70 en la sede central de avenida Libertador al 8200, y permitieron avanzar en física experimental y, además, en el descubrimiento de 20 nuevos radioisótopos (átomos inestables que emiten radiación) por parte del equipo de Radioquímica de la institución.

El primer acelerador de cascada funcionó en la Sede Central de CNEA.

Mientras tanto, desde 1969 en el Centro Atómico Bariloche opera el LINAC, que acelera electrones a muy alta energía y los hace chocar contra un blanco para generar rayos gamma, que a su vez obligan al blanco a liberar neutrones de los núcleos de los átomos que lo componen. Estos neutrones son sometidos a un proceso para bajarles la energía y utilizarlos en el estudio de propiedades de materiales, ingeniería nuclear o biología.

El acelerador más emblemático de la CNEA es el TANDAR, cuya torre ya es un ícono de la avenida General Paz, en las cercanías de Constituyentes. En 1977, el organismo contrató a la firma estadounidense Electrostatics International Inc. para que lo construyera. La Argentina desarrolló la ingeniería conceptual para las obras locales, incluyendo las de la emblemática torre, el tanque de presión y el sistema de trasvase y almacenamiento de hexafluoruro de azufre. Las obras empezaron a fines de 1979 y en septiembre de 1985 se experimentó con el primer haz de iones. La inauguración oficial fue en 1986.

Dentro de la torre se encuentra el tanque donde se aceleran las partículas. Los núcleos de los átomos llegan hasta casi un 10 por ciento de la velocidad de la luz y se utilizan para realizar investigaciones y experimentos de física nuclear. Los haces son derivados a un laboratorio que se encuentra en la base y que cuenta con equipamiento de avanzada, como un microscopio nuclear.

Una de las aplicaciones del TANDAR es su uso como espectrómetro de masas: con haces de iones se individualizan los radioisótopos o átomos radioactivos presentes en una muestra. Este método tiene mucha sensibilidad, con bajísimos límites de detección, ya que permite contar los átomos uno por uno. Cada radioisótopo brinda información sobre un proceso de la naturaleza. Por ejemplo, el berilio-10 ofrece datos sobre procesos geológicos y el iodo-129 o el uranio-236 sobre la contaminación en el medioambiente. Por otra parte, el acelerador también se utiliza para estudiar con un haz externo los efectos de la radiación en material biológico, como cultivos de células.

Mientras tanto, en el Centro Atómico Ezeiza, desde 1994 funciona un ciclotrón o acelerador circular de partículas. Allí se produce 18 fluorodexosiglucosa (18-FDG), un radiotrazador usado en tomógrafos por emisión de positrones (PET) para la detección temprana de tumores. Actualmente también se está trabajando para poder producir citrato de galio (67-Ga), un radiofármaco que se usa para realizar diagnósticos.

Por otra parte, en el Centro Argentino de Protonterapia que se construyó en el barrio de Agronomía se está instalando un ciclotrón modelo C230 del sistema Proteus Plus® que pesa 230 toneladas. Esta enorme máquina producirá haces de protones para un avanzado tipo de radioterapia contra el cáncer, especialmente recomendada para pacientes pediátricos o tumores de difícil acceso. La Argentina será el único país de Sudamérica donde se ofrecerá este tratamiento, consolidando su posición de liderazgo regional en materia de aceleradores de partículas para la salud y la investigación.

Fuente: CNEA