Elementos químicos para curar y elementos químicos para enfermar

Como sabéis en Dciencia finalizamos el año con una serie de artículos dedicados a la tabla periódica de los elementos químicos. En estas semanas pasadas hemos visto cómo todo está constituido por los 92 primeros elementos químicos de la tabla, producidos todos ellos en los diferentes estadios por los que pasan las estrellas. Hemos visto cómo respiramos muchos de esos elementos, cómo estamos constituidos por otros muchos de esos átomos, así como el papel de la mujer en el descubrimiento de esos elementos. En este artículo  mostraremos que los elementos de la tabla periódica se pueden utilizar para hacer el bien, pero también el mal. Como todos deberíamos saber, el hecho de que algo sea natural, y nada más natural que los elementos químicos, no significa que sea inherentemente bueno o malo para nosotros.

Como ha ocurrido en otros artículos sería imposible hacer una revisión completa de todos los elementos que se han usado para curar y enfermar, muchos de ellos incluso para las dos cosas, así que nos centraremos en aquellos que destaquen claramente en uno u otro aspecto.

Elementos químicos para curar

En este apartado el elemento que destacaría por encima de cualquiera es el carbono (C) que ya fue tratado en un artículo anterior. La razón es que la práctica totalidad de los medicamentos que usamos están basados en la química del carbono y la variedad, casi infinita, de compuestos que se pueden obtener a partir de “andamios” de carbono. La química del carbono es la principal responsable de tratamientos que van desde la aspirina a la inmunoterapia. Sin embargo, en esta sección nos vamos a centrar en un aspecto mucho menos conocido; el diagnóstico de enfermedades usando distintos elementos.

Las técnicas de imagen médica permiten “ver” el interior del cuerpo. Existen varios fenómenos físicos que han permitido desarrollar muchas técnicas de imagen; desde la tomografía por emisión de positrones (PET), la tomografía computerizada (CT) —el típico scanner de los hospitales— y, la más conocida, imagen por resonancia magnética (MRI). En estas técnicas de imagen se pueden emplear sustancias químicas se acumulan en la enfermedad que queremos detectar y nos permitan llevar a cabo el diagnóstico. Esas sustancias, agentes de contraste o trazadores, funcionan porque incorporan algún elemento que es capaz de proporcionar una señal, en una de esas técnicas, que diferencia la zona de la enfermedad del resto de tejidos. De los muchos que hay nos vamos a centrar en dos de los más importantes: el gadolinio y el flúor.

GADOLINIO

Su símbolo químico es Gd y su número atómico es 64. Este elemento fue nombrado en honor a Johan Gadolin, químico sueco que investigo un mineral de tierras raras, la Gadolinita.

El Gd no tiene ninguna función biológica y su presencia en la dieta es mínima, se estima que menos de 1 mg al año. Sin embargo, presenta una propiedad que le ha convertido en uno de los elementos más importantes en medicina; es una sustancia paramagnética. Esto significa que puede actuar como un pequeño “imán” afectando al comportamiento magnético de otras sustancias. En concreto, en la técnica de MRI, el Gd modifica el comportamiento magnético de los protones de las moléculas de agua. Esto hace que, allí donde se ha acumulado el Gd, se genere una señal brillante fácil de identificar en la imagen. Para que esta propiedad tenga efectos prácticos lo “único” que hay que conseguir es que el Gd se acumule donde se encuentra la patología. Para ello el gadolinio, dentro de un agente complejante, se une a biomoléculas como anticuerpos o péptidos que dirigen su acumulación en la zona de interés una vez inyectado en el paciente.

Figura 1. Gadolinio metálico (izqda) y una imagen típica de MRI don el Gd resaltando un tumor

FLÚOR

El flúor, con símbolo F, presenta un número atómico de 9 y es uno de los elementos más interesantes de la tabla periódica. Sus características hacen que pudiera estar en casi todos los artículos de esta serie. Por supuesto se produjo hace millones de años en explosiones estelares. Está presente en el cuerpo humano, hasta 6 mg en total, especialmente en los huesos. Se ha empleado en muchos medicamentos, por ejemplo, en varios de los antibióticos más importantes. Además, también es un elemento que, por desgracia, se ha respirado; como agente de la guerra química tuvo un triste y destacado papel en la primera guerra mundial. Aquí sin embargo nos vamos a centrar en otra de sus aplicaciones que es, seguramente, menos conocida.

El flúor presente en nuestros huesos es uno isótopo estable de masa atómica 19. Recordad que un isótopo de un elemento es aquél con el mismo número atómico (número de electrones y protones) pero distinto número de neutrones en el núcleo. Sin embargo, el F también puede presentar una masa atómica de 18 (escribiéndose como 18F). En ese caso se trata de un elemento inestable, que decae a otros elementos estables emitiendo radiación. Es, por tanto, un elemento radioactivo. Esa palabra, radioactivo, que suele conjurar todos los miedos, es bastante menos peligrosa de lo que se cree y de hecho puede ser muy útil, como en este caso. En el proceso para convertirse en un elemento estable, el 18F emite dos partículas llamadas positrones. Éstas son las antipartículas del electrón, misma masa, pero carga positiva. Cuando esas partículas salen del átomo de F, chocan con los electrones destruyéndose mutuamente y generando rayos gamma que son detectados por el equipo de imagen, el PET en este caso. Al tratarse de un proceso radioactivo la sensibilidad de esta técnica no tiene rival, siendo capaz de detectar cantidades extraordinariamente pequeñas del compuesto que lleva el átomo de 18F. Al igual que ocurría con el Gd, para ser útil en diagnóstico hay que conseguir que el compuesto se acumule en la enfermedad. Uno de esos compuestos es la fluorodesoxiglucosa, 18FDG para los amigos. En un alarde de ingenio los químicos diseñaron un compuesto que es exacto a la glucosa, excepto uno de los grupos OH que se cambia por el 18F, de esa forma no solo da señal en PET, sino que las células no son capaces de degradarlo y se va acumulando. Por último, como las células cancerosas consumen más glucosa, la molécula se acumula mucho más en esas células que en las sanas, permitiendo su identificación.

Elementos químicos para enfermar

Nada más lejos de nuestra intención que caer en la quimiofobia, sin embargo, es evidente que ciertos elementos presentan unas propiedades que los hacen especialmente peligrosos para la vida. De la larga lista de elementos que se pueden usar para provocar daño, por ejemplo, aquí también entraría el flúor del que acabamos de hablar, nos vamos a centrar en dos: el mercurio y el talio.

MERCURIO

El mercurio tiene como símbolo Hg y un peso atómico de 80. Este símbolo proviene del latín, hidrargirium o plata líquida y es que el mercurio es uno de los dos únicos elementos que aparecen en la naturaleza en estado líquido (el otro es el bromo). A pesar de su toxicidad, el Hg fue usado durante siglos en diferentes remedios, como laxante, diurético, desinfectante o, el más famoso, contra la sífilis. Aún hoy en día se usa, sorprendentemente, en la medicina tradicional china. Pero no solo en China fue usado de forma habitual. En la antigua Grecia y en Roma eran famosos los cosméticos a base de Hg. Siglos más tarde, en la Edad Media, su uso se revitalizó, nunca mejor dicho, con el trabajo de los alquimistas y la búsqueda de la piedra filosofal y la vida eterna.

Dependiendo de la forma química en la que se presente su toxicidad varía mucho. Mientras el mercurio (I) es el menos tóxico, debido a su baja solubilidad en agua, el mercurio (II) y sus compuestos orgánicos son muchísimo más tóxicos. Otro hecho que hace que su manejo sea aún más complejo es que en estado metálico y líquido es volátil y sus vapores se absorben fácilmente en los pulmones. La absorción de esta manera de una cantidad grande de mercurio produce dolores de cabeza muy fuertes, nauseas, diarrea, exceso de salivación y pérdida de los dientes. El efecto es diferente si se sufre la absorción de pequeñas cantidades durante largos períodos de tiempo. En ese caso el principal afectado es el cerebro, produciéndose efectos como fatiga, debilidad, pérdida de memoria, depresión y paranoia. Lo que se conoce como la enfermedad del sombrerero, debido a que en el s. XIX se empleaba el Hg para procesar los fieltros de los sombreros lo que hacía que esta enfermedad, el hidrargirismo, fuera común entre los sombrereros. Como es sabido, Lewis Carroll se basó en este hecho para el personaje del sombrerero loco en “Alicia en el país de las maravillas”. Otro personaje histórico que se ha relacionado con el Hg es, por ejemplo, el poeta escoces Robert Burns, quien sufrió de enfermedades venéreas. También Isaac Newton. El análisis de cabellos suyos conservados muestra una gran cantidad de Hg, debido en este caso a sus trabajos en alquimia (¡a los que dedicó más tiempo que a la física!). En este caso el problema no era de enfermedades venéreas ya que permaneció célibe toda su vida.

Como veis, el Hg es un elemento con el que hay que tener cuidado, aunque menos que con el último elemento que vamos a tratar.

TALIO

El talio, con símbolo Tl y número atómico 81, es un metal pesado extremadamente tóxico. Su toxicidad proviene del hecho de sustituir al potasio en sus funciones biológicas. El Tl se absorbe directamente por la piel y reemplaza al potasio, por ejemplo, en las enzimas activadas por potasio en el cerebro, los músculos y la piel. Esto produce los típicos síntomas del envenenamiento por Tl: entumecimiento, hormigueo en pies y manos, problemas con el habla, debilitamiento en general y pérdida de pelo. El cuerpo reacciona a este envenenamiento expulsando el Tl, pero entonces, en los intestinos, vuelve a “camuflarse” de potasio y es reabsorbido. La única forma de acabar con este ciclo de excreción-absorción es usando alguna sustancia que se una más fuertemente al Tl que al potasio: el azul de Prusia. Este compuesto intercambia el potasio de su estructura por el Tl y de esta forma puede ser finalmente expulsado.

La fama de veneno perfecto le viene, en parte, al Tl por la literatura. En el conocido texto de Agatha Christie “El misterio de Pale Horse” donde se describe el sulfato de talio y la posibilidad de usarlo para envenenamientos muy difíciles de identificar como tales. De hecho, en la vida real hay casos donde esto ha ocurrido, como en la propia Inglaterra, en 1971, cuando Graham Young envenenó a varios compañeros de trabajo poniendo sulfato de talio en el café, con el resultado de dos muertos y varios con síntomas que nadie supo diagnosticar, hasta que propio Young reconoció lo que había hecho. Pero este conocimiento no siempre es negativo, por ejemplo, en el caso de la enfermera Marsha Maitland, que fue capaz de diagnosticar el problema en una niña, gracias a su lectura del libro de Agatha Christie (para más información sobre esta historia echad un vistazo a las fuentes que hemos usado para este artículo).

Figura 2. Portada de una edición de “El misterio de Pale Horse” donde el Tl se hizo aún más famoso.

Fuentes:

“Eso no estaba en mi libro de historia de la química”. Alejandro Navarro. 1ª edición 2019

“Nature’s building blocks” John Emsley. 1ª edición 2003.

By | 2019-12-27T12:16:38+00:00 diciembre 27th, 2019|Colecciones, Dciencia Química, Divulgación, portada, Temas|0 Comments

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Fernando Herranz
Licenciado en Química Orgánica por la Universidad Complutense de Madrid y Doctor en Química Bioorgánica por la UNED. En mi etapa postdoctoral comencé a trabajar en Nanotecnología durante mis estancias en el Imperial College London y la Universidad Complutense. A continuación, me incorporé al Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares donde trabajé durante siete años en proyectos de imagen molecular cardiovascular y nanomedicina. En 2018 me incorporé al Instituto de Química Médica del CSIC como Investigador Distinguido. Mi investigación se centra en la combinación de la Química y la Nanomedicina. En concreto mi grupo trabaja en tres líneas: 1- El desarrollo de nanopartículas para el diagnóstico por imagen molecular de enfermedades cardiovasculares y pulmonares, especialmente la aterosclerosis y la hipertensión pulmonar; 2- Desarrollo de kits de diagnóstico in vitro (point-of-care) para el diagnóstico precoz de distintas patologías; 3- Desarrollo de nanopartículas para el tratamiento de infecciones causadas por bacterias multirresistentes.

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