Midiendo isótopos: La medicina diagnóstica de los futuros viajes espaciales.

Un astronauta (o cosmonauta) que permanezca en el espacio durante un tiempo prolongado se expone a perder entre el 1 y el 2 por ciento de su masa ósea por mes. De hecho, el debilitamiento extremo de los huesos es uno de los riesgos médicos más evidentes en los viajes espaciales de larga duración.

Pero no hay que irse al espacio para encontrar este problema. Aproximadamente la mitad de las personas de más de 50 años de los países desarrollados sufren riesgo de osteoporosis, que es como se conoce la pérdida de masa ósea. Además distintas enfermedades, en concreto algunos tipos de cáncer, presentan también este síntoma.

A la hora de diagnosticar la osteoporosis el método habitual es una simple radiografía. Cuanto más sano esté el hueso más calcio tiene, se dice entonces que es más denso, y es más opaco a los rayos X. El problema de este método es que siempre es a posteriori, es decir, no puede detectar la pérdida de masa ósea cuando comienza a producirse, sino sólo cuando presenta síntomas asociados, roturas y/o dolor básicamente, o bien el médico sospecha que puede estar produciéndose por estar el paciente en un grupo de riesgo. En el caso de los astronautas con estancias prolongadas en el espacio hay que cruzar los dedos además, porque de momento no hay aparatos de rayos X en la estación espacial.

Por todo lo anterior sería muy conveniente disponer de un método analítico sencillo, como un análisis de orina. Puede parecer chocante determinar la densidad de los huesos con un análisis de orina, pero no lo es tanto si dejas de considerar el calcio como un sólo elemento químico.

Efectivamente, cuando hablamos del calcio, ya sea en su ingesta o en su metabolismo, hablamos de él como un sólo elemento químico. Y oficialmente lo es. Pero a efectos prácticos, como tuvimos ocasión de explicar en Zientziateka Bilbao, los distintos isótopos de los elementos tienen comportamientos fisicoquímicos lo suficientemente diferentes como para permitir tratarlos como elementos diferentes. Este enfoque, aplicado a la osteoporosis, permitiría detectarla precozmente con un análisis de orina. Y la ciencia básica se conoce desde hace 70 años.

Los distintos isótopos de un elemento se diferencian por su masa. Paul Dirac, a comienzos de la Segunda Guerra Mundial, desarrolló un método centrífugo basado en este hecho para separar los isótopos del uranio. Sin embargo este método no fue el elegido finalmente para obtener el material de la primera bomba atómica, sino el de difusión: los distintos isótopos tienen distintas velocidades al atravesar membranas, los más ligeros van más rápido que los pesados. Algo similar pasa en los huesos.

Los huesos no son algo estático, algo que se forma y después se va desgastando. Al contrario, son algo vivo que está continuamente formándose y destruyéndose. En una persona sana y activa en condiciones gravitatorias normales estos procesos están en equilibrio. Pero si una enfermedad o la disminución de la actividad física o de la gravedad perturban este equilibrio se puede encontrar una variación en el equilibrio entre los isótopos de calcio. Y es que durante su formación los huesos favorecen la absorción del isótopo de calcio estable más ligero (calcio-42), frente al más pesado (calcio-44). Si se combinan todos los factores en un modelo matemático se puede relacionar la mineralización de los huesos con los ratios de isótopos en orina y sangre.

El primer paso para traducir esta idea en algo práctico se dio el año pasado. Un equipo encabezado por Jennifer Morgan, trabajando por aquel entonces en la Universidad del Estado de Arizona (hoy Morgan trabaja para en el Centro Espacial Johnson de la NASA) desarrolló la metodología analítica que permitía determinar el ratio de isótopos de calcio en la orina con una precisión muy alta. Emplearon para ello espectrometría de masas. El estudio [1] fue publicado en Analytical Chemistry. 

El siguiente paso era comprobar que, efectivamente, el método permite controlar la desmineralización de los huesos. Los resultados de un nuevo estudio, también liderado por Morgan, financiado por la NASA y que aparecerá publicado en los Proceedings of the National Academy of Sciences [2], indican que esto es así. Un avance de estos resultados se hicieron públicos en la última Conferencia Goldschmidt, celebrada en Praga en agosto de 2011.

En este estudio se analizaron los ratios de isótopos en la orina de 12 voluntarios sanos sujetos a un régimen de reposo absoluto en cama durante 30 días en las instalaciones del Centro de Investigación Clínica de la Universidad de Texas en Galveston. Cada vez que una persona se acuesta los huesos que soportan el peso del cuerpo (columna y piernas fundamentalmente) dejan de soportarlo. Cuando esto ocurre el equilibrio entre formación y destrucción del hueso se altera, desplazándose a la destrucción: deja de ser necesario consumir recursos valiosos en algo que no se usa. Los periodos prolongados en cama producen una pérdida de masa ósea similar a la de los pacientes con osteoporosis, o a la de los astronautas.

Los análisis de la orina de los voluntarios pusieron de manifiesto que la nueva técnica puede detectar la desmineralización ósea tan sólo una semana después de iniciar el reposo en cama, mucho antes de los cambios puedan ser detectados con rayos X.

Ni que decir tiene que este es un primer resultado y que está realizado con pacientes sanos. Habrá que repetirlo con personas que sufran distintas enfermedades, particularmente cáncer, para comprobar que el método sigue siendo lo suficientemente sensible. A partir de ahí surgirán las aplicaciones clínicas.

Pero démonos cuenta de que esto es sólo una posibilidad de las posibles a la hora de considerar los isótopos como elementos en las pruebas diagnósticas, algo que ya se emplea de forma rutinaria en geoquímica. Muchas enfermedades pueden causar cambios sutiles en las proporciones de distintos isótopos. Nada de equipos gigantescos e inmensamente caros, nada de radiación para el paciente. Imagina lo que podría representar un método tan simple en el diagnóstico temprano y seguimiento de los cánceres. O en la comprobación del estado de salud de los astronautas en viajes o estancias de larga duración. Este es todo un campo por explorar.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XV Edición del Carnaval de Química que organiza El cuaderno de Calpurnia Tate.


Referencias:

[1] Morgan JL, Gordon GW, Arrua RC, Skulan JL, Anbar AD, & Bullen TD (2011). High-precision measurement of variations in calcium isotope ratios in urine by multiple collector inductively coupled plasma mass spectrometry. Analytical chemistry, 83 (18), 6956-62 PMID: 21740001

[2] J.L.L. MORGAN, G.W. GORDON, S.J. ROMANIELLO, J.L. SKULAN, S.M. SMITH, & A.D. ANBAR (2012). Rapidly assessing changes in bone mineral balance using natural stable calcium isotopes Proceedings of the National Academy of Sciences