El auge de las ondas de choque


El auge de las ondas de choque
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El 7 de febrero de 1980 es considerado un día memorable en la historia de la medicina. Después de muchos años de investigación, fue posible pulverizar un cálculo renal sin intervenir —es decir, sin una cirugía, lo que implica hacer incisiones en el paciente para llevar a cabo una extracción o curación—, usando una técnica denominada litotricia extracorpórea.
     Antes de esa fecha, retirar un cálculo incrustado en un riñón implicaba, forzosamente, realizar una cirugía riesgosa. La idea de usar ondas de choque para lograr la mencionada hazaña surgió al estudiar el impacto de gotas de agua sobre naves supersónicas. Como ejemplo del daño que puede causar una gota de agua que incide sobre un objeto a alta velocidad, se muestra la fotografía de una moneda perforada con una gota de agua (figura 1). Dornier, la empresa que comercializó el primer equipo de litotricia extracorpórea, inicialmente fabricaba aviones supersónicos; actualmente, las ondas de choque se usan para una amplia gama de aplicaciones biomédicas.

Las ondas de choque son pulsos de alta presión con duración muy corta. Es sorprendente que las ondas de choque usadas para aplicaciones clínicas tengan presiones de hasta 1,500 veces la presión atmosférica. Aún más sorprendente resulta que esa presión se alcance en un tiempo tan corto; así, ¡una bala que vuela a 500 m/s sólo avanzaría aproximadamente una milésima de milímetro!

FIGURA 1. Fotografía de una moneda del año 1987 de la República Federal Alemana, perforada con una gota de agua a celerada a gran velocidad.

FIGURA 2. Fotografía tomada durante la pulverización de un cálculo renal, en la que se distingue parte del generador de ondas de choque (1) y la membrana de látex (2) que acopla las ondas de choque hacia el paciente (3).


     Las ondas son generadas en el agua y penetran al interior del paciente a través de una membrana de hule o látex que se pone en contacto con la piel (figura 2). Para producir ondas de choque, se utiliza sistemas electrohidráulicos, piezoeléctricos o electromagnéticos.I Los equipos electrohidráulicos funcionan mediante una descarga eléctrica producida entre dos electrodos colocados en el primer foco (F1) de un reflector metálico con forma esferoide (figura 3). Cada descarga genera una burbuja de plasma que se expande súbitamente (figura 4), produciendo una onda de choque que se concentra en el segundo foco (F2) del reflector. El mismo tipo de onda también puede generarse con cientos de cristales piezoeléctricos montados sobre la superficie de un cascarón esférico de aluminio, los cuales deben ser aislados del agua por un polímero (figura 5). Al recibir un pulso de alto voltaje, estos cristales aumentan súbitamente su longitud, produciendo pulsos de presión en el agua; así, la contribución de cada cristal se propaga hacia el centro (F) del cascarón esférico, superponiéndose con la de los demás y genera una onda de choque.

FIGURA 3. En los generadores electrohidráulicos, las ondas de choque son producidas por descargas
eléctricas en agua. Gran parte de la energía liberada en F1 es concentrada hacia F2 por un reflector con forma esferoide.

     Los generadores electromagnéticos se basan en la magnetización y repulsión de una membrana metálica; ambas funciones causadas por el campo magnético producido por una bobina cilíndrica. Al hacer pasar un pulso de corriente eléctrica por la bobina, ésta se convierte en un electroimán que magnetiza y rechaza la membrana en su entorno, así se produce un pulso de presión que se propaga hasta ser concentrado por un reflector, transformándose en una onda de choque cerca del foco F (figura 6). Finalmente, cabe mencionar los sistemas “balísticos”, en los que se hace chocar un proyectil de, aproximadamente, tres gramos de peso, sobre un blanco que se pone en contacto con el paciente (figura 7); el proyectil se acelera mediante aire a presión. Estrictamente hablando, estos equipos no producen ondas de choque, sino pulsos de presión radiales (figura 8).

Los equipos para desintegrar cálculos urinarios con ondas de choque (litotritores) se conforman por un generador de ondas de choque, una camilla, sistemas de rayos X y/o ultrasonido y una consola (figura 9). La aplicación de cientos de ondas de choque pulveriza los urolitos, de manera que el paciente pueda orinar los fragmentos en los días siguientes al tratamiento.

La idea de usar ondas de choque para otras aplicaciones surgió al observar que dichas ondas estimulan el crecimiento de tejido óseo; hallazgo que ha sido un alivio para pacientes con fracturas que no cicatrizan. Al aplicar ondas de choque, es posible producir microfisuras en la vecindad de la fractura y, con ello, estimular la cicatrización. La aplicación de ondas de choque para disminuir dolor y aumentar la capacidad de movimiento en pacientes con lesiones en tendones ya es rutina en muchos países.I Aunque los litotritores pueden usarse para aplicaciones en ortopedia (figura 10), ya existen equipos más pequeños para estos padecimientos (figura 11).

FIGURA 6. Una bobina cilíndrica colocada dentro de un reflector parabólico es excitada por un pulso eléctrico, formando un campo magnético que repele a una membrana cilíndrica (Storz Medical AG). El movimiento repentino de la membrana produce pulsos de presión en agua que son concentrados, formando una onda de choque en la vecindad del foco F del reflector.


     La figura 12 muestra la aplicación de ondas de choque a un paciente con angina de pecho, pues esta acción fomenta la formación de capilares sanguíneos. El equipo cuenta con un sistema de ultrasonido dentro del cabezal del generador de ondas de choque que permite visualizar la zona a tratar.

FIGURA 7. Aplicación de ondas de presión radiales (BTL Industries Inc.) para el tratamiento de epicondilitis, una lesión conocida como “codo de tenista” (cortesía: J. Lozano).

     Una aplicación más se da en el tratamiento de pacientes con heridas que no cicatrizan. En muchos casos, dos sesiones con ondas de choque son suficientes para revascularizar la zona afectada. La acupuntura con ondas de choque, el tratamiento de alteraciones del sistema nervioso y la regeneración ósea en odontología forman parte de una lista creciente de aplicaciones clínicas.2

Uno de los principales responsables de los efectos descritos es la formación de microjets (chorros microscópicos) de fluido. La mayoría de los fluidos corporales, incluso los tejidos, contienen burbujas microscópicas. Al paso de una onda de choque, estas microburbujas, inicialmente, se comprimen. Inmediatamente después, se expanden y, finalmente, colapsan (figura 13), emitiendo microjets de fluido con velocidades comparables a las de una bala.

 

 

 

 

     A pesar de que el alcance de los microjets es muy pequeño, éstos poseen suficiente energía para erosionar cálculos urinarios (figura 14), desencadenar reacciones bioquímicas e inducir microfisuras en estructuras óseas.

FIGURA 11. Terapia a un paciente con inflamación de un tendón en la rodilla, usando un generador de ondas de choque Piezolith 100 plus (Richard Wolf GmbH).

En el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada (CFATA), de la UNAM (figura 15), se han desarrollado sistemas más eficientes para litotricia extracorpórea y descubierto aplicaciones novedosas de ondas de choque.II De manera conjunta con investigadores del Cinvestav, fue posible introducir material genético en hongos microscópicos usando ondas de choque;II la importancia de este logro radica en su capacidad para producir antibióticos, insulina, vacunas y ácido cítrico; no obstante, la dificultad a vencer es que dichos hongos sólo producirían los compuestos requeridos a escala industrial si fueran modificados genéticamente.

FIGURA 12. Dibujo de un paciente recibiendo ondas de choque con un equipo Modulith SLC (Storz Medical AG) para el tratamiento de angina de pecho. 

     Es fascinante imaginar que, al paso de estas ondas por una suspensión conteniendo millones de hongos, se puede producir microjets que actúan como “jeringas” microscópicas y, una vez incor-
porado el material genético, el hongo segrega las sustancias deseadas en gran cantidad. El grupo de investigación mencionado ha transformado hongos causantes de plagas en plantíos2 de hongos productores de ácido cítrico, de sustancias que degradan polímeros, así como de hongos que transforman biomasa en combustible. El hecho de que el material genético insertado pueda provenir de bacterias, plantas o, incluso, mamíferos, parece pertenecer a la ciencia ficción.
     Otro ejemplo es la incorporación de material genético al interior de células humanas (transfección). De manera análoga a lo que sucede con los microorganismos mencionados, las ondas de choque son capaces de abrir poros en membranas celulares (figura 16). Para demostrar que la inserción de determinado material genético al interior de las células fue exitosa, se utilizó proteínas fluorescentes que son fácilmente distinguibles en el microscopio.III En la figura 17 se puede apreciar células de riñón de embrión humano transfectadas con ondas de choque. Por otro lado, para facilitar la inserción de material genético al interior de células humanas, investigadores del CFATA desarrollaron nanopartículas de sílice (figura 18) impregnadas con ADN y recubiertas con una estructura de biomoléculas.
     Las partículas fueron incorporadas al interior de células de riñón de embrión humano y de células de tumor de mama en vitro, usando ondas de choque, demostrando que el uso de nanopartículas híbridas y ondas de choque puede ser un método viable para la internalización de fármacos.IV 
     En el CFATA también se estudia el efecto bactericida de las ondas de choque para su posible uso en el tratamiento de infecciones persistentes. Debido a que las ondas de choque pueden concentrarse en regiones pequeñas dentro del cuerpo y poseen un efecto de permeabilización en células y tejidos, se espera que fomenten la penetración de los antibióticos. Para ello, diversos estudios de inactivación de bacterias mediante ondas de choque han sido realizados (figura 19).

FIGURA 13. Imagen que muestra la concentración de una onda de choque en agua y varias ondas de choque secundarias (círculos blancos), formadas por el colapso violento de diminutas burbujas de aire (fotografía: O. Wess y J. Mayer, Storz Medical AG).

FIGURA 14. Fotografía de un modelo de cálculo renal de 30 x 30 x 10 mm, con un cráter producido por la acción de microjets generados por el paso de decenas de ondas de choque en agua. Las flechas muestran la dirección de entrada de las ondas de choque

FIGURA 15. Vista de una parte del Laboratorio de Ondas de Choque del CFATA, ubicado en el campus de la UNAM en Querétaro.

En algún momento será rutinario el uso de las ondas de choque para mitigar dolores, regenerar hueso, tratar celulitis y disfunción eréctil. La manipulación genética con ondas de choque, incluso, podría hacer frente a padecimientos como el cáncer. El descubrimiento de la transformación genética de hongos con microjets ya pertenece a la historia de las ondas de choque; una historia que inició al tratar de mitigar los efectos causados por gotas de agua que colisionan con naves supersónicas.

 

 

 

FIGURA 18. Imágenes de microscopio electrónico de transmisión, mostrando: (a) nanopartículas de sílice sin recubrir y (b) nanopartículas de sílice con recubrimiento de ADN y liposomas (fotografía:
L. Palma y G. Carrasco).

 

 

 

 

El autor agradece a la Doctora Luz Ma. López M. y al Maestro en Ciencias Francisco Fernández E. por su revisión al manuscrito y sus valiosos comentarios. 

Achim M. Loske

Es Doctor en Ciencias (Física aplicada), recibió la Medalla “Gabino Barreda” por parte de la UNAM y es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (III). Como Investigador Titular del Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la UNAM, dirige un grupo de investigación con el objetivo de encontrar nuevas aplicaciones de ondas de choque en: medicina, biología y química, así como mejorar las técnicas y metodologías clínicas existentes. Durante 30 años se ha desempeñado como Profesor de Matemáticas y Física en diferentes universidades públicas y privadas del país.
C. e.: loske@fata.unam.mx

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