Investigadores inventan un dosímetro de rayos X de cápsula ingerible novedoso para el monitoreo de radioterapia en tiempo real

El cáncer gástrico es uno de los cánceres más comunes en todo el mundo. Un nuevo invento de investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) podría ayudar a mejorar el tratamiento de este cáncer al mejorar la precisión de la radioterapia, que se usa comúnmente en combinación con opciones de tratamiento como la cirugía, la quimioterapia o la inmunoterapia.

En el campo de la radioterapia moderna, la precisión en el tratamiento del tejido tumoral mientras se minimiza el daño al tejido sano es crucial. Sin embargo, la baja eficacia y los resultados variables siguen siendo un desafío debido a la diversidad de pacientes, la incertidumbre del tratamiento y las diferencias en los tipos de parto. Monitorear la dosis de radiación administrada y absorbida en tiempo real, particularmente en el tracto gastrointestinal, podría mejorar la precisión de la radioterapia para mejorar su efectividad, pero es difícil de lograr. Además, los métodos existentes utilizados para monitorear indicadores bioquímicos como el pH y la temperatura son inadecuados para una evaluación integral de la radioterapia.

Para abordar este desafío, un equipo de investigación dirigido por el profesor Liu Xiaogang del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias de la NUS, en colaboración con investigadores de la Facultad de Medicina Yong Loo Lin de la NUS, la Universidad de Tsinghua y el Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen, ha desarrollado un Dosímetro de rayos X ingerible que detecta la dosis de radiación en tiempo real. Combinando su novedoso diseño de cápsula y un modelo de regresión basado en redes neuronales que calcula la dosis de radiación a partir de la información capturada por la cápsula, el equipo descubrió que podían proporcionar un seguimiento de la dosis administrada aproximadamente cinco veces más preciso que los métodos estándar actuales.

Este avance tecnológico fue publicado en la revista Naturaleza Ingeniería Biomédica el 13 de abril de 2023.

Los dosímetros clínicos, como los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal, los sensores de termoluminiscencia y las películas excitadas ópticamente, se colocan comúnmente directamente sobre la piel del paciente o cerca de ella para estimar la dosis de radiación absorbida en el área objetivo. Si bien se ha explorado dicha dosimetría con dispositivos de formación de imágenes de portal electrónico para la verificación del tratamiento, estos dispositivos pueden ser costosos y, además, absorben radiación y reducen la dosis de radiación prevista para el paciente. Los sensores ingeribles se limitan a la monitorización del pH y la presión, y existe la necesidad de un sensor ingerible económico que pueda rastrear simultáneamente los indicadores bioquímicos y la absorción de la dosis de rayos X durante la radioterapia gastrointestinal.

Para abordar estas limitaciones, el profesor Liu y su equipo desarrollaron una nueva cápsula dosimétrica de rayos X ingerible capaz de medir la dosis de radiación y los cambios fisiológicos en el pH y la temperatura en tiempo real durante la radioterapia gastrointestinal. Los componentes clave de la cápsula incluyen una fibra óptica flexible encapsulada con nanocentelleadores que se iluminan en presencia de radiación, una película sensible al pH, un módulo fluídico con múltiples entradas para el muestreo dinámico de fluidos gástricos, dos sensores para mediciones de dosis y pH, un circuito de microcontrolador placa que procesa señales fotoeléctricas para transmitirlas a una aplicación móvil, y una batería de óxido de plata del tamaño de un botón que alimenta la cápsula.

Cuando la cápsula se ingiere y llega al tracto gastrointestinal, los nanocentelleadores exhibirán una mayor luminiscencia en presencia de una mayor radiación de rayos X. Un sensor dentro de la cápsula mide el brillo de los nanocentelleadores para determinar la radiación que llega al área objetivo.

Al mismo tiempo, el módulo fluídico permite recoger el fluido gástrico para la detección del pH mediante una película que cambia de color según el pH. Este cambio de color es capturado por un segundo sensor dentro de la cápsula. Además, los dos sensores pueden detectar la temperatura, lo que podría dar una indicación de cualquier reacción negativa al tratamiento de radioterapia, como alergias.

Las señales fotoeléctricas de los dos sensores son procesadas por una placa de circuito de microcontrolador que envía información a través de la tecnología Bluetooth y una antena a una aplicación de teléfono móvil. Usando un modelo de regresión basado en redes neuronales, la aplicación móvil procesa los datos sin procesar para mostrar información como la dosis de radioterapia, así como la temperatura y el pH de los tejidos que se someten a radioterapia.

«Nuestra nueva cápsula cambia las reglas del juego al proporcionar un control asequible y efectivo de la eficacia del tratamiento de radioterapia. Tiene el potencial de proporcionar garantía de calidad de que la dosis correcta de radiación llegará a los pacientes», dijo el profesor Liu.

El dosímetro de cápsula mide 18 mm de largo y 7 mm de ancho, un tamaño común utilizado para suplementos y medicamentos, y su producción cuesta 50 dólares singapurenses. Diseñado actualmente para monitorear la dosis de radioterapia para el cáncer gástrico, también podría usarse para monitorear el tratamiento en diferentes tumores malignos con más personalizaciones en el tamaño de la cápsula. Por ejemplo, hacer la cápsula más pequeña podría permitir colocarla en el recto para la braquiterapia del cáncer de próstata o en la cavidad nasal superior para la medición en tiempo real de la dosis absorbida en tumores nasofaríngeos o cerebrales, minimizando el daño por radiación a las estructuras circundantes.

El equipo de investigación está trabajando para llevar su innovación a la aplicación clínica. La investigación adicional incluye identificar la posición y la postura de la cápsula después de la ingestión, desarrollar un sistema de posicionamiento sólido para anclar la cápsula en el sitio objetivo previsto y calibrar aún más la precisión de los dosímetros ingeribles para un uso clínico seguro y eficaz.