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Resonancia Magnética de Diagnóstico – Sistema Miniatura Podría Tener Gran Impacto en Salud Pública

Friday, January 29, 2010

The microfluidic device for TB detection integrates membrane filters and microcoils to concentrate and detect bacteria via NMR. Bacteria were targeted with highly magnetic nanoparticles for sensing.

The microfluidic device for TB detection integrates membrane filters and microcoils to concentrate and detect bacteria via NMR. Bacteria were targeted with highly magnetic nanoparticles for sensing. Credit: Hakho Lee

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.

 

Chip Miniatura de RMN Detecta TBC

Cancer cells in native (unprocessed) samples such as blood and biopsies are tagged with magnetic nanoparticles that bind to cancer-specific biomarkers on the cell surface. A miniaturized sensor then detects the magnetically-labeled cells through NMR.

Cancer cells in native (unprocessed) samples such as blood and biopsies are tagged with magnetic nanoparticles that bind to cancer-specific biomarkers on the cell surface. A miniaturized sensor then detects the magnetically-labeled cells through NMR. Credit: Hakho Lee

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/