Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Microscopía Óptica No-Lineal – Avances en Diagnósticos y Mejores Tratamientos

Friday, December 28, 2007

Detección de Placas Inestables

Depósitos adiposos inestables en las paredes internas de los vasos sanguíneos (placas ateroscleróticas) pueden ocasionar infartos o ataques cardiacos. Algunas de estas placas pueden no ser detectadas con los instrumentos tradicionales de diagnóstico. El equipo de Cheng y colaboradores de la Universidad de Indiana reportaron recientemente la primera imagen multifotónica multimodal de placas ateroscleróticas en las arterias de un puerco obeso. La composición química de las placas puede ser evaluada, lo que permite la predicción de rupturas en las placas. Explica Michael Sturek, Profesor de Fisiología Celular e Integrativa en la Universidad de Indiana, “Actualmente, una placa inestable no se muestra como una estenosis mayor que limita el flujo, pero si pudieramos visualizarla y poner un stent ahí, eso evitaría que la placa se rompiera”. Usos en el futuro de esta modalidad pueden implicar la investigación del efecto de medicamentos novedosos para la aterosclerosis, la evaluación del estrechamiento de vasos sanguineos (estenosis) y la combinación de microscopía NLO con instrumentos de diagnóstico existentes, como el ultrasonido intravascular.

Imágenes de Lesiones y Enfermedades Neurológicas

Casi medio millón de personas en los Estados Unidos viven con lesiones en la médula espinal y otros 400,000 están afectados por esclerosis múltiple (EM). Estas condiciones se caracterizan por la pérdida de vainas de mielina, un componente importante del sistema nervioso llamado materia blanca. Como la cobertura de un cable eléctrico, las vainas de mielina actúan como aislantes, facilitando la conducción de impulsos nerviosos. La pérdida de vainas de mielina, llamada desmielinización, lleva a un retraso o bloqueo de señales neurológicas resultando en impedimentos, a menudo mortales, del movimiento, del oído, del habla, o de la vista. El proceso de desmielinización es poco entendido, en parte por la inhabilidad de obtener imágenes de los detalles subcelulares en materia blanca intacta.

Ji-Xin Cheng, Profesor Asistente de Ingeniería Biomédica y Química en la Universidad de Purdue, descubrió recientemente algunas funciones cruciales del calcio y el glutamato en la activación de la desmielinización. Estos descubrimientos ayudarán a los investigadores a entender el daño neurológico y podrán fomentar mejores tratamientos de enfermedades como la EM. El descubrimiento de estos activadores se hizo utilizando una técnica innovadora de imágenes llamada microscopía CARS (por sus siglas en inglés–Coherent Anti-Stokes Raman Scattering). La microscopía CARS detecta las vibraciones de los enlaces químicos y es particularmente sensible en la obtención de imágenes de sustancias adiposas, como la mielina. Esta técnica proporciona imágenes en tiempo real de los cambios en la vaina de mielina después de una lesión en la médula espinal y permite la medición de parámetros dinámicos de desmielinización, tales como el grosor de la vaina de mielina.

La microscopía CARS es una de varias técnicas ópticas no-lineales (NLO por sus siglas en inglés-Nonlinear Optical techniques) para obtener imágenes de alta resolución de tejidos vivos que recientemente han surgido como herramientas sin precedentes. Las técnicas NLO tienen diversas ventajas a comparación de otros métodos de imágenes. Por ejemplo, las técnicas NLO casi nunca requieren del uso de tintes. Los tintes proporcionan contraste pero también alteran el estado natural de las moléculas dentro de las células. La microscopía convencional – como el ver las células a través de un microscopio en una clase de biología de secundaria – requiere muestras de tejido muy delgadas, debido a que la dispersión de luz ocasiona que las muestras gruesas aparezcan borrosas. En cambio, la dispersión de luz afecta mucho menos las técnicas NLO proporcionando una excelente resolución tridimensional (3D), incluso al obtener imágenes profundas de los tejidos. Las técnicas NLO permiten que los científicos puedan monitorear los procesos biológicos dinámicos a través del tiempo en tejidos vivos tales como la respuesta inmune, enfermedad cerebral y desarrollo de tumores. Además de utilizar la microscopía CARS, los investigadores en Purdue integraron otras dos modalidades de imágenes NLO en un microscopio CARS – fluorescencia por estimulación de dos fotones (TPEF por sus siglas en inglés–Two-Photon Excitation Fluorescence) y generación de la frecuencia de suma (SFG por sus siglas en inglés–Sum Frequency Generation) – a las que llamaron microscopía multifotónica multimodal (MMM, por sus siglas en inglés–Multimodal Mutiphoton Microscopy).

El equipo de Cheng ha aplicado la técnica MMM en la visualización de la médula espinal viva y el nervio ciático en resolución tridimensional. En los próximos años, ellos utilizarán la técnica MMM para estudiar las causas de la degradación de la mielina en EM y en lesiones de médula espinal. Cheng, en colaboración con otros investigadores, está explorando el potencial de las técnicas NLO en muchas áreas importantes de la medicina, incluyendo el cáncer, enfermedades cardiacas y obesidad.

Una imagen tridimensional de materia blanca de médula espinal como se ve al utilizar la técnica MMM. Los colores rojo, verde y magenta representan respectivamente la señal CARS de vainas de mielina, la señal SFG de procesos de astrocitos, y la señal TPEF de nucleos identificados con bromuro de etidio. Imagen de Yan Fu y Ji-Xin Cheng.

Una imagen tridimensional de materia blanca de médula espinal como se ve al utilizar la técnica MMM. Los colores rojo, verde y magenta representan respectivamente la señal CARS de vainas de mielina, la señal SFG de procesos de astrocitos, y la señal TPEF de nucleos identificados con bromuro de etidio. Imagen de Yan Fu y Ji-Xin Cheng.

Examinando la Arquitectura de Tumores

La técnica MMM ofrece la posibilidad de examinar tumores en el cuerpo sin necesidad de biopsias. Por otra parte, facilita la investigación de la organización espacial del tumor y el tejido conectivo adyacente, que no puede ser visualizado en cortes delgados de biopsias. Cheng e Ignacio Camarillo, Profesor Asistente de Ciencias Biológicas en la Universidad de Purdue, aplicaron la técnica MMM para obtener imágenes simultáneas en alta resolución tridimensional de células adiposas del seno, capilares sanguíneos, fibras de colágeno y células de tumor. En diagnósticos convencionales de cáncer, los médicos suelen incluir etiquetas o marcadores para distinguir el tejido canceroso del tejido sano. Se utilizan por ejemplo moléculas radioactivas en tomografías TEP (PET por sus siglas en inglés–Positron Emission Tomography), tintes fluorescentes en imágenes ópticas, y partículas magnéticas en resonancia magnética (MRI). Sin embargo, dice Cheng, “es muy difícil marcar una célula específica o un tumor en un paciente. Se puede utilizar la microscopía multifotónica multimodal para detectar diferentes tipos de tumores en el cuerpo sin tener que usar marcadores”.

Advierte Camarillo, “La obesidad aumenta el riesgo de diversos tipos de cáncer, incluyendo el de seno, uterino, de próstata y de colon. Los pacientes obesos tienen índices más altos de morbilidad y mayor resistencia a los medicamentos [de cáncer]. Mucha gente no sabe de esta relación”. Camarillo y Cheng utilizaron la técnica MMM para comparar tejidos de ratas obesas y delgadas e identificaron diferencias estructurales que podrían ser un factor fundamental en la relación entre la obesidad y el cáncer. El equipo de investigación de Camarillo planea utilizar la técnica MMM para monitorear cambios en el tejido a través del tiempo en respuesta a terapia y describir los diferentes tumores asociados con obesidad. Camarillo concluye, “Obtener imágenes de la arquitectura tridimensional de tejidos puede facilitar nuevos e importantes conocimientos sobre la formación de tumores y los cambios que llevan a la evolución del tumor. Esto no lo proporciona la histología estándar".

Direcciones para el Futuro

Cheng espera que esta tecnología de avanzada para obtener imágenes encontrará muchos usos en las próximas décadas. Las industrias de cosméticos y farmacéuticos están ansiosas de usar estas nuevas técnicas de imagen. Algunos medicamentos se encuentran en materiales biodegradables, llamados polímeros, los cuales controlan el tiempo de descarga y distribución de los medicamentos a los tejidos. A pesar de que las moléculas de medicamentos no son en sí visibles bajo un microscopio de fluorescencia, las capas de sus polímeros son perfectamente visibles con la tecnología CARS. Dice Cheng, “La microscopía CARS será un sistema maravilloso para estudiar la descarga de medicamentos desde una matriz de polímeros y la distribución de los medicamentos en los tejidos”.

Indica Cheng, “Otra dirección clave será el desarrollar endoscopía para diagnósticos de tumores in vivo, así como de lesiones ateroscleróticas”. Como primer paso, el equipo de Cheng probó recientemente un lente miniatura que se puede introducir en un animal a través de la piel para obtener imágenes de tejidos profundos en tiempo real.

Otra área para usos en el futuro es la medicina individualizada. Para ciertas enfermedades, algunos pacientes no responden a medicamentos estandar. Por ejemplo, los medicamentos más usados para reducir el colesterol – estatinas como Lipitor y Crestor – no ayudan a prevenir los ataques cardiacos en hasta un 70 por ciento de personas. La técnica MMM ayudará a los investigadores a entender la arquitectura de los tejidos enfermos, ya que ofrece una observación cercana y detallada de la región de la enfermedad. A su vez, este conocimiento será la base para desarrollar medicamentos nuevos y más efectivos. El uso de la técnica MMM en las clínicas brindará la promesa de mejores diagnósticos y tratamientos adaptados a las necesidades del individuo.

Este trabajo está apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas (NIBIB), el Instituto Nacional del Corazón, Pulmón y Sangre (NHLBI), y el Centro Nacional para Recursos de Investigación (NCRR).

Referencias

Cheng JX. Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. Appl Spectrosc. 2007;61:197-208.

Fu Y, Wang H, Huff TB, Shi R, Cheng JX. Coherent anti-Stokes Raman scattering imaging of myelin degradation reveals a calcium dependent pathway in Lyso-PtdCho induced demyelination. J Neurosci Res. 2007;85:2871-81.

Kang E, Wang H, Kwon IK, Robinson J, Park K, Cheng JX. In situ visualization of paclitaxel distribution and release by Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. Anal Chem. 2006;78:8036-43.

Le TT, Langohr IM, Locker MJ, Sturek M, Cheng JX. Label-free molecular imaging of atherosclerotic lesions using multimodal nonlinear optical microscopy. J Biomed Opt. 2007;12:054007.

Le TT, Rehrer CW, Huff TB, Nichols MB, Camarillo IG, Cheng JX. Nonlinear optical imaging to evaluate the impact of obesity on mammary gland and tumor stroma. Mol Imaging. 2007;6:205-11.

Wang H, Huff TB, Fu Y, Jia KY, Cheng JX. Increasing the imaging depth of Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy with a miniature microscope objective. Opt Lett. 2007;32:2212-4.

(a) Imagen del corte transversal de una placa aterosclerótica en una arteria mediante técnicas CARS, TPEF y SFG en la misma plataforma. La placa se enriquece en lípidos (gris) y autofloresencia (verde), pero carece de fibrillas de colágeno (azul). (b) Características de diferentes tipos de placa definidas por el Comité de Lesiones de la American Heart Association. Imagen de Han-Wei Wang y Ji-Xin Cheng.

(a) Imagen del corte transversal de una placa aterosclerótica en una arteria mediante técnicas CARS, TPEF y SFG en la misma plataforma. La placa se enriquece en lípidos (gris) y autofloresencia (verde), pero carece de fibrillas de colágeno (azul). (b) Características de diferentes tipos de placa definidas por el Comité de Lesiones de la American Heart Association. Imagen de Han-Wei Wang y Ji-Xin Cheng.

Imágenes por microscopía CARS de células adiposas (rojo) y de fibrillas de colágeno (verde) por SHG (por sus siglas en ingles–Second Harmonic Generation o Generación de Segundo Armónico – otra técnica no lineal), utilizadas para evaluar el impacto de la obesidad en tumores del seno. Las imágenes de la fila superior son de ratas delgadas, mientras que las de la fila inferior son de ratas obesas. La primera imagen de cada fila (A y E) es de glándulas mamarias, mientras que las restantes (B-D y F-H) son del tejido que cubre a los tumores (estroma). Estas imágenes indican que la obesidad está asociada con un contenido reducido de colágeno en las glándulas mamarias y con un incremento en el contenido de colágeno y agresividad en tumores del seno. Escala de barras = 25 um. Imágen de Ignacio Camarillo.

Imágenes por microscopía CARS de células adiposas (rojo) y de fibrillas de colágeno (verde) por SHG (por sus siglas en ingles–Second Harmonic Generation o Generación de Segundo Armónico – otra técnica no lineal), utilizadas para evaluar el impacto de la obesidad en tumores del seno. Las imágenes de la fila superior son de ratas delgadas, mientras que las de la fila inferior son de ratas obesas. La primera imagen de cada fila (A y E) es de glándulas mamarias, mientras que las restantes (B-D y F-H) son del tejido que cubre a los tumores (estroma). Estas imágenes indican que la obesidad está asociada con un contenido reducido de colágeno en las glándulas mamarias y con un incremento en el contenido de colágeno y agresividad en tumores del seno. Escala de barras = 25 um. Imágen de Ignacio Camarillo.

Ji-Xin Cheng