Mediante el estudio de cómo los elementos químicos emiten y absorben la radiación dentro de las estrellas y alrededor de los agujeros negro, astrónomos de la Ohio State University han descubierto que los metales pesados como el hierro emiten electrones de baja energía cuando son expuestos a determinadas frecuencias de los rayos X. El descubrimiento plantea la posibilidad de que los implantes a partir de ciertos elementos pesados podría permitir a los médicos eliminar los tumores cancerígenos con electrones de baja energía, mientras es tejido sano se expone a mucha menos radiación. Los implantes podrían mejorar imágenes para el diagnóstico médico.
Sultana Nahar, científico principal de investigación y Anil Pradhan, profesor de astronomía, en la Ohio State, descubrieron que algunas frecuencias de rayos-X hacen que los electrones de los átomos de metales pesados vibren y se liberen de sus órbitas alrededor del núcleo, creando lo que equivale a un gas con carga eléctrica, o plasma, alrededor de los átomos en la escala nanométrica. "Desde el punto de vista de la física básica, el uso de radiación en la medicina es muy indiscriminado", Pradhan sais. "Realmente, no ha habido ningún avance fundamental en la producción de rayos X desde la década de 1890, cuando Roentgen inventó el tubo de rayos X, que produce los rayos X en un rango muy amplio." No hay avance fundamental, es decir, hasta el momento. En Viernes, 24 de junio, en el Simposio Internacional de Espectroscopia Molecular, del Estado de Ohio Nahar anunció simulaciones con un equipo informático con los elementos oro y platino, y el diseño de un prototipo de dispositivo que genera rayos X en las frecuencias clave. Sus simulaciones sugieren que golpear un átomo de oro individual o un átomo de platino con una pequeña dosis de rayos X en un estrecho rango de frecuencias - equivale aproximadamente a una décima parte de la amplia gama de frecuencias de radiación de rayos-X - produce una inundación de más de 20 electrones de baja energía. Los astrónomos, aplican la física y la química básica para entender lo que está sucediendo en las estrellas y esto, ha entusiasmado al Dr. Nahar, pues podemos aplicar los mismos conocimientos para tratar afecciones potencialmente cancerosas. "Creemos que las nanopartículas incrustadas en los tumores puede absorber los rayos X de manera eficiente a determinadas frecuencias, lo que resulta en eyecciones de electrones que puede matar las células malignas", señalo. "A partir de espectroscopia de rayos X, se puede predecir esas energías y que los átomos o las moléculas tienden a ser más eficaces".
Este descubrimiento a sido llamado concepto de Resonancia Nano Plasma Theranostics (RNPT) – que vendría a ser la última palabra de la fusión de "terapia" y "diagnósticos". "Desde el punto de vista de la física básica, el uso de radiación en la medicina es muy indiscriminada", añadió Pradhan. "Realmente, no ha habido ningún avance fundamental en la producción de rayos X desde la década de 1890, cuando Roentgen inventó el tubo de rayos X, que produce los rayos X en un rango muy amplio." , explicó porque los metales como el oro o el platino mostrar este hospitales comportamiento, y cómo puede tomar ventaja de ello. En física básica, se comprenden estos fenómenos desde la década de 1920 del siglo pasado. Los físicos han sabido por mucho tiempo que la órbita de los electrones alrededor de los núcleos de los átomos están a distancias diferentes, algunas próximas al núcleo y otras no. Cuando uno de los electrones en el primer plano se pierde un electrón, otro puede bajar para tomar su lugar, que libera energía. Esto se conoce como el efecto Auger, que fue descubierto en 1922. A menudo, la energía es lo suficientemente fuerte como para expulsar a un segundo electrón, llamado electrón Auger. El mismo proceso podría resultar en la emisión de partículas de luz, o fotones, a las energías o frecuencias específicas, el más prominente de los llamados K-alfa rayos-X.
Estos electrones Auger libre son bajos en energía, pero grandes en número, y es viable poder bombardear de cerca las células malignas y romper su ADN. Sabemos la típica máquinas de rayos X, como los escáneres de TC generan todo el espectro de rayos X, los hospitales podrían emplear RNPT con sólo K-alfa de rayos X, que en gran medida reducir la exposición a la radiación de un paciente. Esa es la función del prototipo que el equipo ha construido. Aunque el prototipo de mesa de trabajo tiene que desarrollarse aún más, estos primeros experimentos muestran que el efecto auger puede ser utilizado para entregar frecuencias específicas de radiación de rayos X de las nanopartículas de metales pesados integrados en el tejido enfermo de imágenes o la terapia. El oro y el platino son sólo los dos primeros elementos que el equipo está estudiando en detalle para la aplicación de la metodología de RNPT. Ambos metales son seguros para usar en el cuerpo. El platino es utilizado ya en el fármaco de quimioterapia cisplatino, donde ayuda a administrar el fármaco mediante la unión a ADN maligno. "Este trabajo podría conducir a una combinación de radioterapia con quimioterapia con platino como agente activo", menciona Pradhan. Debido a este descubrimiento el tratamiento del cáncer es un nuevo territorio para los astrónomos. Junto con Yu, que tuvo la idea de RNPT cuando estaban tratando de entender la abundancia de elementos químicos dentro de las estrellas. El objetivo inicial era ayudar a los astrónomos a comprender como están constituidas las diversas estrellas, a partir de cómo la radiación fluye a través de ellas y a la vez es emitida. Los astrónomos ya tienen varios métodos para hacer esto, pero sus resultados obtenidos son muy diversos.
Mediante la simulación de cómo los diferentes elementos se comportan cuando están expuestos a la radiación dentro de las estrellas, Nahar y Pradhan tienen la esperanza de ayudar a los astrónomos determinar con precisión de lo que nuestro sol está constituido. Incluso para una profesión matemáticamente rigurosa como la astronomía, la realización de Nahar y Pradhan es muy importante. Se debe calcular cada átomo posible contenida en una estrella va a reaccionar a cada longitud de onda de energía posible. Se basan en el Centro de supercomputación de Ohio para realizar estos cálculos y simulaciones, de hecho, su equipo de investigación se ha situado entre los mayores usuarios de los recursos de cómputo desde el establecimiento del centro hace más de dos décadas atrás. Las simulaciones han comenzado a dar sus frutos en un astrofísico sentido. Se han revelado que las anteriores observaciones y los cálculos de la abundancia química del sol puede en realidad tener un margen de hasta un 50 por ciento. Aún más sorprendente que los astrónomos fueron los resultados de la simulación de la absorción de radiación por los átomos de metales pesados, tales como el hierro. El hierro juega un papel dominante en controlar el flujo de radiación a través de las estrellas, pero también se observa en algunos agujeros negros, donde K-alfa a partir de los rayos X pueden ser detectados desde la Tierra. "Ahí fue cuando nos dimos cuenta de que las consecuencias fueron mucho más allá de la astrofísica nuclear, "Pradhan, dijo. "Los rayos X se usan todo el tiempo en los tratamientos de radiación y de imagen, y también lo son los metales pesados - no sólo de esta manera. Si pudiéramos emplear nanopartículas de metales pesados a ciertos sitios en el cuerpo, imágenes de rayos X , la terapia podrían ser más potentes, reducir la exposición a la radiación, y ser mucho más precisos.
Esta investigación fue financiada por un subsidio del Estado de Ohio, y los recursos de cómputo fueron proporcionados por el Centro de Supercomputación de Ohio.
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