Creating Biomedical Technologies to Improve Health

¡El Mini-Microscopio que Puede!

Thursday, April 30, 2009

Guardado dentro de este cubo plástico hay un microscopio poderoso de alta resolución, capaz de producir imágenes de células de sangre y organismos microscópicos. Los electrodos en esta foto imponen un campo eléctrico a lo largo del canal microfluídico.

Tucked inside the plastic cube is a powerful, high-resolution microscope capable of imaging blood cells and microscopic organisms. The electrodes in the attached picture impose an electric field along the microfluidic channel.

Desde las áreas costeras de Bangladesh hasta los rascacielos de la ciudad de Nueva York, la patología de cabecera está a punto de tomar un gran paso hacia adelante. Investigadores del Instituto de Tecnología de California en Pasadena desarrollaron un microscopio del tamaño de la cerda de un pelito de abejorro tan poderoso que permite observar las imágenes de células y otros materiales biológicos.

“Podemos mejorar el sitio de atención y llevarlo al siguiente nivel” dice Changhuei Yang, profesor asistente y co-inventor del mini-microscopio. “El diseño del mini-microscopio es verdaderamente simple porque queríamos que se usara por doquier. Ni siquiera se necesita una fuente de luz. Se puede usar la luz del sol”. Junto con el software, el microscopio optofluídico (MOF) puede llegar a ser esencial en la monitorización en casa de las células inmunes en pacientes con VIH/SIDA. Al tratar el VIH/ SIDA, los médicos vigilan los cambios en las células CD4 que son las células inmunes dañadas por el VIH. Si el número de células CD4 baja de los 200, los pacientes estarían en riesgo de nuevas infecciones. Esta vigilancia en casa serviría para la detección temprana de cambios importantes en la condición de los pacientes y reduciría el número de visitas al médico. El rastreo progresivo de las células CD4 permitiría a los médicos hacer ajustes tempranos de las terapias y así mantener a sus pacientes en una condición óptima de salud.

Cuando el MOF es integrado al teléfono celular, tiene el potencial de tener un gran impacto; especialmente en lugares remotos alrededor del mundo en donde por falta de electricidad y equipos poco confiables hacen que los diagnósticos de enfermedades sean problemáticos. “Esta es una tecnología facilitadora” dice Charles DiMarzio, Profesor Asociado de Ingeniería Eléctrica y Computación en la Universidad Northwestern (UNE) y pionero en las técnicas de imagenología biomédica. “En lugares en donde no se tiene acceso a laboratorios de patología este aparato puede ser usado para transmitir información a otros patólogos alrededor del mundo.”

 

“¡Mira mami, no hay lentes!”

Les tomó apenas cinco años a Yang y su ex-colega Demetri Psaltis, ahora Decano de Ingeniería en el Politécnico Ecole Federal de Lausanne, para convertir el mini-microscopio en una realidad. Durante ese tiempo tuvieron que reconsiderar completamente la microscopía óptica. Los microscopios ópticos convencionales dependen de una serie de lentes y de una fuente de luz para producir la imagen de una muestra. Los lentes miniatura para un mini-microscopio son caros y difíciles de hacer.

Alejándose de lo tradicional, Yang y Psaltis consideraron cómo crear un microscopio sin lentes. No necesitaron ir muy lejos para obtener una respuesta. El concepto de MOF les estaba saltando a la vista –literalmente. Miodesopsias, las manchitas que atraviesan el ojo y que son especialmente visibles cuando vemos el cielo azul, son vistas porque la luz hace que emitan sombras directamente en la retina (la parte del ojo que produce imágenes). No se necesitan lentes para crear estas imágenes flotantes.

Lograr convertir el concepto de representación óptica en una realidad se dió gracias a dos factores importantes: 1) el campo de microfluídicos había madurado; este es el proceso en donde los pequeños tubos y canales guían y miden varios líquidos y 2) el precio de los chips sensores que producen imágenes había bajado significativamente. “Era el momento adecuado para esto porque la tecnología microfluídica esa ahora relativamente fácil de aprender y los chips sensores cuestan entre $10 y $20 cada uno” dice Yang. Esta tecnología microfluídica permite que los investigadores examinen muestras, tales como células de sangre, en sus fluidos naturales y elimina la necesidad de usar tinte en las muestras. El bajo costo de los chips sensores ayuda a mantener el costo del MOF a menos de $50 y a producir imágenes de alta-resolución.

 

Viendo Claramente

Para construir el MOF, Yang empezó con un sensor de imagen como los que se usa en las cámaras digitales. La capa que se encuentra encima del sensor es de metal y está salpicada con perforaciones de punta a punta sobre una línea diagonal. Un polímero transparente protege la base. Encima de la base se encuentra un chip microfluídico que tiene un canal en donde fluyen las muestras. Las muestras son inyectadas dentro de la cámara del microscopio con una jeringa.

La luz blanca, de igual intensidad a la luz del sol, ilumina la muestra desde arriba cuando pasa a través de la cámara del microscopio. A medida que la muestra flota sobre la línea diagonal, interrumpe la transmisión de luz por las perforaciones. Las señales de transmisión irregulares son recogidas por el sensor y se transmiten directamente a una computadora. Un simple programa de computación crea una imagen de la muestra de acuerdo a la información obtenida.

Una desventaja del diseño inicial del MOF era su inhabilidad de producir imágenes casi transparentes de los componentes de células llamadas orgánulos, que están dentro de la célula. Los microscopios caros usan una técnica conocida como phase imaging (producción de imágenes por fases) para formar la imagen de estas partes diminutas. Para enfrentar este reto y ayudar a que el mini-microscopio produzca imágenes por fases, Yang y su grupo reemplazaron las perforaciones individuales de la base con agrupamientos de perforaciones y también mejoraron el software para obtener imágenes de mejor calidad.

En un experimento reciente, el equipo demostró el poder del MOF para investigaciones biológicas en donde lograron producir la imagen de un gusano redondo, Caenorhabditis elegans, al igual que algas, esporas de polen, y micro-esferas de plástico. Las imágenes producidas por el MOF fueron comparadas con las imágenes producidas por un microscopio convencional.

 

Fabricación en Serie del Mini-Microscopio

Para alcanzar un grupo amplio de usuarios, Yang tuvo que buscar una manera rápida y de alto rendimiento para fabricar el MOF. En lugar de tener estudiantes de postgrado trabajando con los microscopios – un proceso de dos días – el laboratorio unió fuerzas con un fabricante que produce semi-conductores para la fabricación en serie del aparato. Yang espera que los envíos estarán listos a mediados de este año para que los médicos y biólogos los evalúen.

En el futuro, una gran variedad de aplicaciones de laboratorio, tales como el de conteo de células blancas, el conteo de células cancerosas y evaluación de drogas, podrán mejorarse con el uso del MOF. Al conectar cientos de MOFs en paquetes compactos, puede ser posible procesar 10,000 o más células a la vez. Dentro de la próxima década Yang espera crear un aparato que pueda ser implantado en el cuerpo y rastrear varios componentes en la sangre. Este proyecto necesitará desarrollar materiales bio-compatibles al igual que fuentes de energía duraderas.

“Un mini-microscopio como este, conectado a suficiente poder computarizado abre las puertas a muchas posibilidades” dice DiMarzio de la UNE. “Esto no reemplazará los microscopios convencionales pero sí encontrará un nicho maravilloso.”

Este trabajo fue financiado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

 

Referencia

Cui X, Lee LM, Heng X, Zhong W, Sternberg PW, Psaltis D, Yang C. Lensless high-resolution on-chip optofluidic microscopes for Caenorhabditis elegans and cell imaging. PNAS 2008 Aug 5; 105:10670–5.

Las imágenes tomadas por el MOF (arriba) son comparables con las imágenes tomadas por un microscopio convencional.

Images taken with the OFM (top) are comparable to those taken with a conventional light microscope.