Física de Partículas e Inovações em Medicina (parte I)

O relatório “GLOBAL INNOVATION INDEX 2019 – Creating Healthy Lives — The Future of Medical Innovation” (https://www.globalinnovationindex.org/home) foi publicado recentemente. Nesse documento, há um capítulo inteiro dedicado à contribuição da Física de Partículas no campo de Inovações em Medicina. 

Nos próximos dias vou ir apresentando e transcrevendo alguns dos pontos que estão no relatório. Espero que seja uma leitura interessante para todos.

AMM.

Física de Partículas e Inovações em Medicina (parte I)

 

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Figura 1: Aparelho de MRI (Magnetic Resonance Imaging), ou em português, Aparelho de Ressonância Magnética.

 

Além das realizações científicas, a busca de respostas para questões fundamentais geralmente leva a grandes avanços tecnológicos. No entanto, medir o valor da pesquisa básica não é uma simples análise de custo-benefício. Frequentemente, o impacto da pesquisa básica no mercado médico é indireto e difícil de rastrear. Um desses casos é a contribuição da física de partículas para a tecnologia de imagens médicas.

Hoje, os scanners de ressonância magnética oferecem imagens surpreendentemente detalhadas do corpo humano, graças aos poderosos ímãs projetados com bobinas de um material supercondutor chamado nióbio-titânio.

No início dos anos setenta, quando a técnica de ressonância magnética estava em sua infância, esse material estava disponível industrialmente apenas em pequenas quantidades; portanto, os primeiros scanners foram construídos com ímãs convencionais. Ao mesmo tempo, a física de partículas precisava urgentemente de nióbio-titânio para criar os poderosos ímãs necessários para o acelerador de partículas “Tevatron” no Fermilab (Laboratório Nacional “Fermi” – laboratório de Física de Partículas próximo a Chicago, nos EUA).

É aqui que se manifesta o papel da ciência de “grandes” experimentos em propagar tecnologias para além do estado da arte: o Fermilab comprou a matéria-prima em quantidades que eram ordens de magnitude maiores que os pedidos típicos de nióbio-titânio e trabalhou junto com os fabricantes para produzir bobinas de altíssima qualidade para o Tevatron.

Isso abriu caminho para o uso comercial de nióbio-titânio em máquinas de ressonância magnética e, posteriormente, em aceleradores médicos.

Um padrão semelhante pode ser encontrado na história da tecnologia para scanners PET (Positron Emission Tomography, ou em português, Tomografia por Emissão de Pósitrons), frequentemente citado como a epítome da fertilização cruzada entre detectores de física de partículas e ferramentas de imagem. As experiências no Stanford Linear Accelerator Center e no CERN foram pioneiras no uso em larga escala de detectores agora onipresentes em scanners PET. A escala gigantesca desses experimentos de última geração alimentou o desenvolvimento de dispositivos sensíveis a fótons – que são usados ​​nos mais recentes scanners PET comerciais.

Em alguns casos, pode haver uma transferência direta de uma tecnologia desenvolvida para pesquisa em física de partículas para aplicações médicas. Um exemplo recente de sucesso é uma aplicação inovadora de um chip desenvolvido no CERN pela “Medipix3 Collaboration” para experimentos com o LHC.

Os membros da colaboração Medipix3 fundaram uma empresa, a MARS Bioimaging Ltd., que recebeu uma licença para explorar o chip para imagens por tomografia espectral computadorizada – imagens de raios X em cores. Em 2018, a empresa desenvolveu um scanner baseado na tecnologia Medipix3 e conseguiu capturar as primeiras imagens de raios-X coloridas em 3D de partes do corpo humano.

No entanto, essa transferência direta não é comum – principalmente em laboratórios ou instituições como o CERN, que tem um mandato de pesquisa básica pura. Nesses locais, as tecnologias são desenvolvidas para satisfazer as necessidades de projetos futuros ou em andamento e geralmente são adaptadas ao uso final em um ambiente de física de partículas.

As colaborações internacionais também desempenham um papel vital na aplicação de tecnologias desenvolvidas para pesquisa básica em outros campos.

Por exemplo, o kit de ferramentas de simulação de computação Geant4 é desenvolvido e mantido por uma colaboração mundial de cientistas e engenheiros de software. Hoje ele é adotado por milhares de usuários em todo o mundo para aplicação em vários domínios, incluindo o estudo do ambiente de radiação na Estação Espacial Internacional, bem como efeitos de radiação em possíveis missões espaciais tripuladas futuras para a Lua ou Marte.

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Figura 2: Imagem produzida com um scanner PET de uma paciente com câncer nos ossos antes (imagem à esquerda) e após (imagem à direita) quimioterapia.

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Reduzindo poluição com a ajuda de aceleradores de partículas

Sabe aquelas ocasiões quando você encontra alguém com quem não tem muita intimidade – seja no elevador, na fila do ônibus, ou na padaria enquanto você espera pelo café – e depois dos educados “olá” e “como vai?” o assunto repentinamente acaba? Às vezes, fica um vácuo no tempo e você fica com a impressão que poderia dizer algo e ampliar o bate-papo, mas nenhuma idéia de assunto interessante surge em sua mente. Se você passa por isso, esse texto vai te ajudar…vou te contar sobre uma aplicação de aceleradores de partículas que você provavelmente não conhecia e que vai te ajudar na próxima vez que estiver procurando um assunto para “socializar” com aqueles que cruzam seu caminho no dia-a-dia.

Vou mostrar como aceleradores de partículas podem contribuir para reduzir a poluição do ar.

O tráfego marítimo é o maior contribuinte para a poluição do ar em nível planetário – um único navio de cruzeiro emite tanto material poluente quanto um milhão de carros. Para reduzir seu impacto no meio ambiente, regulamentos rigorosos serão implementados em um futuro próximo. Diversas tecnologias estão sendo exploradas para reduzir o teor de óxidos de enxofre e nitrogênio e de material poluente nos escapamentos dos motores diesel marítimos.

A solução proposta pelos cientistas que trabalham com aceleradores de partículas consiste em uma tecnologia híbrida que combina a irradiação por um acelerador de feixe de elétrons de algumas centenas de quilovolts, e a subsequente purificação em um “purificador úmido” (uma espécie de filtro). Os elétrons induzem a excitação molecular, ionização e dissociação, quebrando assim as moléculas maiores de óxidos de enxofre e nitrogênio, e facilitando sua remoção em um pequeno depurador colocado após o acelerador. O purificador lava as moléculas poluentes usando água.

Essa técnica já está sendo testada.

A Riga Technical University (Letônia) organizou o experimento e selecionou um navio para o teste. O Institute of Nuclear Chemistry and Technology (Polônia) projetou e comprou o depurador e o sistema fechado de água e realizou os testes, o Fraunhofer FEP de Dresden (Alemanha) disponibilizou um acelerador de feixe de elétrons móvel em um caminhão rotineiramente usado para esterilizar produtos agrícolas e contribuiu para os testes e para a integração. O CERN, a Organização Européia de Pesquisa Nuclear, com sede em Genebra (Suíça), forneceu apoio e consultoria.

O velho e enferrujado barco “Orkāns”, construído nos tempos soviéticos, acabou sendo o banco de testes perfeito. Este barco é um pequeno rebocador com um motor potente, mas antigo, que poderia facilmente ser disponibilizado durante a duração dos testes. Um cano longo, equipado com vários detectores, ligava o rebocador – atracado no estaleiro de Riga – ao acelerador de elétrons instalado no caminhão, onde uma câmara especialmente construída permitia o tratamento dos escapamentos, que então passavam pelo pequeno purificador, antes de ser finalmente liberado no ar.

As primeiras medições confirmaram a redução esperada nos poluentes. Os resultados finais serão disponibilizados somente após uma análise completa das medições feitas em diferentes potências do motor e condições de operação. Os dados coletados por este experimento serão usados ​​para finalizar a proposta para o próximo passo no progresso desta tecnologia.

Toms Torims, da Riga Technical University, que supervisionou o teste, declarou: “Temos que considerar que esse longo tubo enferrujado conecta dois mundos, o mundo dos navios e o mundo dos aceleradores de partículas. Suas tecnologias e linguagens são completamente diferentes, mas se conseguirmos que trabalhem juntos, temos o potencial de um grande avanço nessa tecnologia ”.

Maurizio Vretenar, do CERN, coordenador do projeto ARIES (Accelerator Research and Innovation for European Science and Society), acrescentou: “Saltos tecnológicos sempre aparecem na fronteira entre as tecnologias. Aqui, graças ao projeto ARIES, nos juntamos à física de aceleradores, química e engenharia. Todas as condições estão aí para um progresso substancial em direção à preservação do meio ambiente. Além disso, vimos pessoas de quatro países europeus trabalhando juntas por um objetivo comum, mostrando que os europeus, quando unidos, podem fazer grandes conquistas ”.

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O rebocador Orkāns. (Imagem: ARIES)
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O tubo de conexão e o acelerador no caminhão. (Imagem: ARIES)
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Medição da composição dos gases no tubo de escape. (Imagem: ARIES)

Íons de carbono para tratamento de câncer

MedAustron, um centro avançado de terapia de hádron na Áustria, tratou seu primeiro paciente com íons de carbono. O marco médico, que ocorreu em 2 de julho de 2019, eleva a instalação ligada à física de partículas para o seleto grupo de apenas seis centros em todo o mundo que podem combater tumores com prótons e íons de carbono.

Quando prótons e íons de carbono atingem material biológico, eles perdem energia muito mais rapidamente que os fótons, que são tradicionalmente usados ​​em radioterapia. Isto torna possível depositar uma grande dose num volume pequeno e bem direcionado, reduzindo os danos no tecido saudável que envolve o tumor e reduzindo assim o risco de efeitos colaterais. Embora a terapia com prótons tenha sido usada com sucesso na MedAustron desde dezembro de 2016, tratando mais de 400 pacientes com câncer até agora, a terapia com íons de carbono abre novas oportunidades para atingir tumores que eram anteriormente difíceis ou impossíveis de tratar. Os íons de carbono são biologicamente mais eficazes que os prótons e, portanto, permitem que uma dose maior seja administrada ao tumor.

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Os injetores de feixe de íons da instalação MedAustron na Áustria. Crédito: MedAustron / T Kästenbauer

Sayonara Japão!

Hora de retornar para casa. Visitei 4 institutos de pesquisa (University of Tokyo, Kobe University, KEK e Tokyo Institute of Technology), atravessei o país 4 vezes de leste-a-oeste, peguei um “pequeno” tremor de terra no meio dessa história e participei da DIS2018 no Japão. Apresentei várias palestras – as duas últimas particularmente bem recebidas e elogiadas, participei de várias reuniões e até me “fizeram” apresentar uma das palestras plenárias com o resumo das discussões do meu grupo de trabalho.

O balanço geral da viagem é muito positivo. Em particular, me chamou bastante a atenção a seriedade que a comunidade dos físicos que se identificam com “deep inelastic scattering” estão tendo com o planejamento para futuros aceleradores. Acho que a injeção de ânimo e visão de futuro que recebi na conferência vão ser muito bacanas para me ajudar nos meus próximos passos. Que venham os projetos como o LHeC (LHC com um feixe de elétrons colidindo contra outro de prótons), o ILC (International Linear Collider) e outros programas que estão sendo debatidos e considerados com seriedade.

Vida que segue…

AMM.

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DIS2018 – Kobe

Amanhã começa a DIS2018, aqui em Kobe no Japão.

Estamos recebendo mais de 250 físicos de vários países aqui em Kobe. Esta será a 26ª reunião de uma série anual de workshops internacionais cobrindo uma mistura bastante eclética de material relacionado à Cromodinâmica Quântica (QCD) e DIS (espalhamento inelástico profundo), bem como revisões dos tópicos atuais mais “quentes” em física de alta energia. Grande parte do programa é dedicada aos resultados mais recentes de experimentos no BNL, CERN, DESY, FNAL, JLab e KEK. Avanços teóricos relevantes também são abordados na conferência.

Eu vou atuar como coordenador do grupo de trabalho sobre “Low x and Diffractive Physics”. Traduzindo: vamos discutir resultados sobre a estrutura interna dos prótons e processos que acontecem em colisões periféricas (uma “esbarrada” entre os prótons).

Estou curioso para ver quais novidades surgirão essa semana.

AMM.

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Diário de viagem: Japão 2018

Completada a primeira semana de compromissos aqui no Japão, hoje tirei uma horinha para beber uma boa xícara de chá preto com mirtilo (preparado cuidadosamente com água “leve” – isto é, baixo teor de minerais, e temperatura de 90ºC…é esse o nível de informação que se tem que dar quando se pede chá aqui…) e fazer um balanço da viagem até agora.

Nessa primeira semana visitei grupos de Física de Altas Energias em Tóquio, Kobe, e Tsukuba. Nas reuniões, conversas informais e apresentações de seminário que fiz, tenho recebido comentários que apontam consistentemente para uma mesma direção: em face à dificuldade que experimentos do LHC têm tido em encontrar os sinais de uma “nova” física, a investigação mais detalhada dos processos secundários que ocorrem nas colisões de prótons pode ser a chave para destravar as buscas de possíveis descobertas.

É como procurar uma agulha no palheiro. E a mensagem que tenho recebido é: entenda melhor as “propriedades da palha”. É meio curioso e irônico: para se encontrar a “agulha” valiosa, precisa-se prestar mais atenção a “humilde” palha. Na linguagem técnica, isso significa responder as questões em aberto na Cromodinâmica Quântica.

Bom, daqui a pouco, pego outro trem…vamos retornar a Tóquio.

AMM.

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Destaques da XIV Hadron Physics (meus assuntos preferidos…)

Encerrada a conferência Hadron Physics 2018, dois assuntos que foram discutidos me chamaram muito a atenção.

O primeiro tem tudo a ver com o trabalho que faço no CMS, com os estudos das colisões de partículas geradas pelo LHC. Certos fenômenos, observados em colisões de íons pesados, e que já são “velhos” conhecidos dos físicos, agora também vem sendo observados em colisões próton-próton!

Deixe-me explicar o porquê disso ser tão interessante: íons, são átomos que passaram por um processo de retirada dos elétrons…e os núcleos dos íon, possuem prótons e nêutrons. No LHC colidimos íons de chumbo, os quais possuem “muitos” prótons e nêutrons. De maneira geral nas colisões de íons, se elas forem bem centrais (os íons baterem “de frente”) forma-se um estado novo da matéria: o plasma de quarks e glúons. Esse plasma, faz com que a física da criação de novas partículas se altere em relação ao que observamos quando não há a formação desse plasma.

Bom, recentemente, no LHC, ao se estudar colisões de prótons, em alguns casos, observou-se propriedades semelhantes às já detectadas na situação de plasma de quarks e glúons. Isso não era esperado! Um dos casos específicos é a formação de quarks pesados (produção do quark “strange” por exemplo) em quantidade maior do que a esperada “normalmente”. Isso é verificado em colisões de prótons de alta multiplicidade, ou seja, colisões de prótons que produzem  “muitas” partículas (duas vezes ou mais o que se observa normalmente). O gráfico abaixo ilustra essas observações. O curioso nesse gráfico, é que parece existir uma transição contínua entre o que se observa em colisões próton-próton (círculos no gráfico) com as colisões próton-íons (diamantes) e íon-íon (quadrados). Os diferentes gráficos coloridos são medidas de partículas diferentes, mas todas contém o quark “strange” na sua estrutura. As curvas em linha cheia ou pontilhadas são predições de modelos teóricos – às vezes funcionam, às vezes erram espetacularmente! De onde é que estão vindo todos esses quarks “strange”???

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Fonte: Nature Physics 13, 535–539 doi:10.1038/nphys4111

O segundo assunto que me chamou a atenção, foi uma discussão sobre a primeira observação de ondas gravitacionais vindas de um sistema de duas estrelas de nêutrons!

Estrelas de nêutrons são extremamente densas. Imagine colocar todo o nosso sol, numa esfera de mais ou menos 10Km de raio (o sol possui aproximadamente 700.000Km de raio). Isso seria mais ou menos como colocar toda a água da Baía de Guanabara numa piscina olímpica. Bom, através das observações com as ondas gravitacionais que são geradas quando duas dessas estrelas de nêutrons colidem, o pessoal hoje tem uma nova explicação para a produção dos elementos mais pesados da tabela periódica…por exemplo, o ouro…e tudo isso (colisão de estrelas, emissão de onda gravitacional, processos nucleares, formação de novos elementos químicos) acontece numa fração de segundos! Fantástico!

Esse assunto é tão revolucionário que foi escolhido pela revista Science como o destaque de 2017!

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Caçadores de fortuna…talvez seja interessante procurar pelos “rastros” das estrelas de nêutrons…pode ser uma estrada pavimentada de ouro.

AMM.