Resonancia Magnética de Diagnóstico – Sistema Miniatura Podría
Tener Gran Impacto en Salud Pública: 29 de Enero de 2010
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El aparato de microfluidos para detección de TBC comprende filtros
de membrana y microbobinas para concentrar y detectar bacterias por RMN. Las bacterias
fueron etiquetadas con nanopartículas altamente magnéticas para percepción
sensitiva. Crédito: Hakho Lee
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De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud, una tercera parte de
la población mundial está infectada con tuberculosis (TBC), con la
mayoría de las muertes ocurriendo en los países en desarrollo. Imagine
que usted fuera parte de una clínica móvil sin recursos en un país
del tercer mundo. Para realizar pruebas de infección de TBC, los más
probable es que usted utilizaría una técnica del siglo 19 llamada
microscopía de mancha de esputo. Aunque la técnica es económica
y rápida, no es muy sensitiva, y probablemente no detectaría muchos
de los casos. Un enfoque más sensitivo es esperar de 1 a 3 semanas a que
crezca la bacteria de TBC a partir de la muestra de esputo; es decir, si usted tuviera
un laboratorio, un personal capacitado, y valioso tiempo extra. Cada persona con
TBC activa que no es diagnosticada infectará de 10 a 15 personas en un año.
Para combatir el contagio de la enfermedad y ofrecer un tratamiento a tiempo, se
necesita un método de diagnóstico económico y sensitivo que
pueda aplicarse en el campo sin necesidad de preparar muestras. Es probable que
un equipo investigador de la Universidad de Harvard tenga ya la solución
en sus manos.
En la última década, los científicos han hecho exploraciones
utilizando nanopartículas magnéticas como sensores químicos
para la detección de secuencias de DNA, proteínas, anticuerpos, hormonas,
metabolitos, y células. En contraste con las técnicas ópticas,
la detección basada en resonancia magnética permite mediciones sensitivas
en muestras biológicas opacas, como sangre, orina, y esputo. Sin embargo,
los sensores convencionales de resonancia magnética o aún las máquinas
de escritorio de resonancia magnética nuclear (RMN) no son adecuadas como
instrumentos de punto de atención (POC por sus siglas en inglés) porque
sólo pueden medir una muestra a la vez, requieren una cantidad de muestras
relativamente grande, y pueden pesar hasta más de 90 libras. Los investigadores
de la Escuela de Medicina de la Universidad de Harvard, Ralph Weissleder, Profesor
de Radiología y Biología de Sistemas y Director del Centro para Biología
de Sistemas, y Hakho Lee, Instructor en Ingeniaría Biomédica, notaron
que la cantidad requerida de muestra podría reducirse substancialmente al
reducir el tamaño de todo el aparato. Utilizando técnicas estándar
de microfabricación, construyeron un aparato de RMN a base de chips que miden
2 x 7 pulgadas, como del tamaño de un teléfono celular. “Por
ahora, según nuestro conocimiento, este es el sistema de RMN más pequeño
que se ha construido y cuesta menos de $200 dólares”, comenta Lee.
El microchip de RMN contiene microbobinas (utilizadas para excitación de
radiofrecuencia y detección de señales de RMN), un pequeño
imán portátil, una red de microfluidos para manejo de muestras, y
electrónica de RMN. Esta pieza de microfluidos de $1 es desechable, mientras
que el resto del aparato puede ser re-usado. Las nanopartículas magnéticas
usadas en el aparato están compuestas de un núcleo de óxido
de hierro rodeado por un polímero. Estas nanopartículas se pueden
cubrir a la medida con pequeñas moléculas o anticuerpos que actúan
como pegamento químico para unir específicamente moléculas
objetivo en una muestra biológica. Al unirse a su objetivo molecular, las
nanopartículas forman agrupaciones, lo que conlleva a una disminución
en el tiempo de relajación transversal o spin-spin de las moléculas
de agua circundantes. Este cambio, que puede medirse fácilmente, depende
del grado de agrupación y es proporcional al número de moléculas
objetivo en la muestra.
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Células cancerosas en muestras iniciales (sin procesar), como
sangre y biopsias, son etiquetadas con nanopartículas magnéticas que
se unen a biomarcadores específicos de cáncer en la superficie de
la célula. Un sensor miniaturizado detecta entonces las células etiquetadas
magnéticamente a través de la RMN. Crédito: Hakho Lee.
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Chip Miniatura de RMN Detecta TBC
Como primera aplicación de punto de atención, Weissleder y Lee están
probando el aparato como un sensor para TBC, utilizando nanopartículas cubiertas
de anticuerpos contra la bacteria Mycobacterium tuberculosis. “La prueba de
mancha de esputo puede detectar cerca de 10,000 bacterias por muestra. Nuestro aparato
es 1,000 veces más sensitivo – podemos detectar hasta sólo 10
bacterias por muestra”, explica Weissleder, lo cual significa que el aparato
podría detectar muchos casos que la prueba de mancha de esputo podría
no detectar. Además, la lectura electrónica reduce el prejuicio humano
asociado con el análisis de mancha. El aparato de microRMN puede analizar
hasta ocho muestras simultáneamente in casi 30 minutos y no requiere de entrenamiento
especializado para operarlo. Un filtro de membrana adentro de la bobina concentra
la bacteria para mejorar la sensitividad de detección. Las muestras se pueden
preparar para hacer pruebas rápidas y económicas. “Estamos trabajando
con la Escuela de Salud Pública de Harvard, y probablemente probemos el aparato
en Sudáfrica el próximo año para ver qué tal funciona
comparado con la prueba convencional de TBC”, añade Lee.
Si cambiamos la capa externa en las nanopartículas, se puede utilizar el
mismo sistema para detectar otros tipos de agentes infecciosos – virus, hongos,
y parásitos – no sólo en fluidos corporales sino también
en el ambiente (p.ej., abastecimientos de agua). La tecnología podría
tener un gran impacto en la salud pública global.
Describiendo Biomarcadores de Cáncer
Otra línea de aplicación del sistema de microRMN es la detección
de biomarcadores, sustancias características producidas por células
que revelan la signatura molecular del cáncer y los desórdenes metabólicos
complejos, como la diabetes. El equipo investigador de Weissleder está llevando
a cabo actualmente un ensayo clínico, para seis biomarcadores diferentes,
que describe muestras de biopsias con aguja fina de pacientes con cáncer,
y comparando los resultados con citopatología convencional. El esperar hasta
una semana para obtener los resultados de la patología causa ansiedad en
los pacientes y retrasa el tratamiento. Si se pudiera probar que es suficientemente
sensitivo y exacto, el aparato portátil de microRMN podría utilizarse
para examinar muestras durante el proceso de la biopsia. Weissleder reconoce que
el aparato no se podría utilizar para hacer pruebas de todos los tipos de
cáncer. “Existen ciertos cánceres que no tienen buenos biomarcadores,
y son esos los que no podremos detectar”, comenta él.
El método de microRMN seguramente será más económico
que las pruebas por biomarcadores convencionales. “Nosotros integramos la
electrónica de RMN en un chip de 2 mm x 2 mm. Cuando esos chips se fabrican
en masa, podemos reducir aún más el costo del aparato”, dice
Lee. Otra aplicación potencial en el campo del cáncer es la medición
del número de células de tumor que circulan por la sangre para monitorear
la respuesta del paciente de cáncer a la terapia; esto permitiría
a los médicos poder adecuar los tratamientos a las necesidades individuales
(p.ej., modificar la dosis, detener una terapia inefectiva, y cambiar a otro tratamiento).
Futuros Rumbos
El equipo está explorando aplicaciones adicionales del aparato, incluyendo
evaluar el estatus inmune en infecciones virales, identificar los objetivos del
medicamento dentro de la célula, y describir los subconjuntos de glóbulos
blancos en ateroesclerosis. Están examinando anticuerpos y pequeñas
moléculas que puedan recubrir nanopartícluas para unir varios objetivos
biológicos. Se prefieren pequeñas moléculas en lugar de anticuerpos
ya que tienen una mayor vida útil y son por lo general menos caras. El equipo
está también modernizando diferentes partes del aparato y desarrollando
nuevas nanopartículas magnéticas para mejorar la sensitividad de detección
y construyendo nuevos arreglos de microbobinas para mediciones de alto rendimiento.
La empresa T2 Biosystems, co-fundada por Weissleder, está desarrollando plataformas
miniatura de diagnóstico con resonancia magnética nuclear para la
clínica, industria farmacéutica, pruebas caseras, percepción
ambiental, biodefensa, y entidades sin fines de lucro. Su instrumento prototipo
de mesa de trabajo – diseñado para uso en consultorios médicos
y laboratorios de hospitales – opera un panel de pruebas de diagnóstico
en menos de 20 minutos. “Hoy en día, las muestras se envían
a un laboratorio central y los resultados están disponibles en 1–3
días. Con este aparato, los resultados podrían estar disponibles en
menos de una hora, mientras el paciente se encuentra aún con el médico.
De manera importante, debido a esta tecnología única, podríamos
tomar una muestra de sangre, tan pequeña como un pinchazo, y obtener todos
esos resultados diagnósticos. Finalmente, esa prueba de pinchazo podría
realizarse en casa en un pequeño aparato portátil de mano, similar
a un glucómetro”, explica John McDonough, Director Ejecutivo de T2
Biosystems.
En el futuro, los aparatos portátiles de resonancia magnética podrían
reemplazar las técnicas ópticas existentes por diagnósticos
rápidos de punto de atención, particularmente en situaciones de recursos
limitados. Gracias a su habilidad de rápido análisis de marcadores
múltiples en muestras clínicas no-procesadas con alta sensitividad,
el sistema de microRMN podría convertirse en el instrumento preferido de
diagnóstico para la detección y descripción de células
cancerosas.
Este trabajo está apoyado en parte por el Instituto de Bioingeniería
e Imágenes Biomédicas.
Referencias
http://csb.mgh.harvard.edu/weissleder/research_projects
Chun AL. Nanoparticles offer hope for TB detection. Nat Nanotechnol. 2009 Nov;4(11):698-9.
Lee H, Sun E, Ham D, Weissleder R. Chip-NMR biosensor for detection and molecular
analysis of cells. Nat Med. 2008 Aug;14(8):869-74.
Lee H, Yoon TJ, Figueiredo JL, Swirski FK, Weissleder R. Rapid detection and profiling
of cancer cells in fine-needle aspirates. Proc Natl Acad Sci USA. 2009 Jul 28;106(30):12459-64.
Lee H, Yoon TJ, Weissleder R. Ultrasensitive detection of bacteria
using core-shell nanoparticles and an NMR-filter system. Angew Chem Int Ed Engl.
2009;48(31):5657-60.
http://www.technologyreview.com/biomedicine/23110/