Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Microscopía Virtual – Convirtiendo Espectadores en Jugadores

Monday, May 7, 2007

Jay Fisher, estudiante de ingeniería biomédica en UNC, controla el sistema de microscopía magnética de fuerza tridimensional a través de una pluma de retroalimentación de fuerza. Al mover la pluma con su mano, el usuario puede controlar el movimiento de una cuenta magnética y sentir las fuerzas que aplican las cuentas sobre las muestras biológicas. Imagen cortesía de Richard Superfine.

Jay Fisher, estudiante de ingeniería biomédica en UNC, controla el sistema de microscopía magnética de fuerza tridimensional a través de una pluma de retroalimentación de fuerza. Al mover la pluma con su mano, el usuario puede controlar el movimiento de una cuenta magnética y sentir las fuerzas que aplican las cuentas sobre las muestras biológicas. Imagen cortesía de Richard Superfine.

La mayoría de los investigadores que utilizan microscopios para observar muestras biológicas son solamente espectadores. Puede que inicien una reacción y sean testigos de los resultados, pero no pueden tocar o manipular la muestra durante el proceso. Para Richard Superfine, profesor de física en la Universidad de Carolina del Norte (UNC) en Chapel Hill, no es aceptable observar desde afuera únicamente.

Para convertir espectadores en jugadores, Superfine y un equipo de científicos en computación, físicos, químicos, y bioquímicos, en el Centro de Sistemas de Cómputo Integrados para Microscopía y Manipulación (CISMM por sus siglas en inglés), han desarrollado una colección de instrumentos de imágenes con el fin de involucrar a los investigadores en los experimentos. Pueden así visualizar y manipular células vivas, moléculas, y hasta cadenas de ADN con un control inigualable, así como también intervenir en reacciones en tiempo real.

“Este sistema permite una conexión intuitiva con la muestra”, dice Superfine. “Los investigadores pueden involucrarse en la reacción y pensar más detalladamente acerca de la ciencia que están llevando a cabo, en vez de únicamente teclear órdenes. La tecnología háptica te pone en fase de descubrimiento”. La retroalimentación háptica proporciona un sentido del tacto a los científicos y les permite sentir las fuerzas, vibraciones, y movimientos en el experimento.

El corazón del sistema combina un microscopio óptico y un microscopio de fuerza atómica (AFM por sus siglas en inglés). Un componente de realidad virtual llamado nanoManipulador ofrece retroalimentación táctil de la muestra estudiada por el usuario. Por lo general, los microscopios de fuerza atómica utilizan una punta muy filosa para explorar la superficie de la muestra. Dicha punta escanea la superficie, produciendo un gráfico de picos bidimensional (2-D). La punta puede presionarse sobre la superficie permitiendo que el microscopio (AFM) capte la imagen mientras modifica la muestra. El nanoManipulador toma el gráfico de picos bidimensional y con un supercomputador gráfico lo transforma en una superficie de tres dimensiones. Cuando los usuarios mueven la pluma manual del nanoManipulador, pueden tocar y ver su espécimen al mismo tiempo.

Russell Taylor, profesor investigador de ciencias computacionales y física en UNC Chapel Hill, y co-director del CISMM, ha trabajado en este proyecto desde que estaba en la universidad. A pesar de que la interfase visual es convincente, Taylor nota que los investigadores que la usan también quieren los datos originales de los experimentos, para estudiarlos más a fondo en sus laboratorios.

Sintiendo la Fibrina

Los coágulos de sangre, una red de fibras de fibrina creada por el cuerpo para prevenir la pérdida de sangre, pueden causar infartos y ataques cardiacos si se forman en el cerebro o en los vasos sanguíneos que rodean el corazón. Si se entienden la estructura y la fuerza de estas redes se podrán mejorar la terapias para romper coágulos no deseados.

Susan Lord, profesora del Departamento de Patología y Medicina de Laboratorio en UNC, junto con su equipo de investigación, han estudiado las propiedades mecánicas de fibras de fibrina individuales, utilizando como interfase háptica el microscopio de fuerza atómica en el CISMM. En base a su información han concluido que los coágulos de sangre se rasgan por la ruptura de ramificaciones en la red de la fibra, y no por la ruptura de fibras individuales como antes se creía.

La interfase de realidad virtual permitió a Lord convertirse literalmente en parte del experimento y sentir lo que estaba ocurriendo mientras se aplicaban fuerzas distintas en las fibras de fibrina. “En la mayoría de las cosas que hago, no puedo ver lo que pasa”, dice Lord. “Tengo que confiar a ciegas en lo que sucede. Con el nanoManipulador puedes realmente ver lo que está pasando. Te da un sentido diferente de lo que está ocurriendo y te puedes colocar en una orientación diferente”, comenta ella. Estirar las fibras fue “como tomar una liga y estirarla 6 veces su tamaño. Fue increíble”.

Lord comenta que hubiera podido hacer los experimentos de manera convencional con microscopía de fuerza atómica. Pero la fibrina no habría sido visible y las fuerzas creadas entre la punta del microscopio y la muestra no se habrían aproximado a las que actúan en la fibrina en el cuerpo humano.

El software de control para el microscopio de fuerzas tridimensionales muestra al usuario la información completa acerca de la muestra durante el experimento. Aquí, una cuenta magnética se une a la superficie de la célula, y la línea amarilla muestra el movimiento anterior en el centro de la cuenta. La “concha azul” muestra el volumen que la cuenta ha empujado durante este movimiento, y la malla verde muestra el diámetro de la esfera. En el fondo se puede ver la video-imagen inmediata de las capas celulares a través del microscopio. Imagen cortesía de Richard Superfine.

El software de control para el microscopio de fuerzas tridimensionales muestra al usuario la información completa acerca de la muestra durante el experimento. Aquí, una cuenta magnética se une a la superficie de la célula, y la línea amarilla muestra el movimiento anterior en el centro de la cuenta. La “concha azul” muestra el volumen que la cuenta ha empujado durante este movimiento, y la malla verde muestra el diámetro de la esfera. En el fondo se puede ver la video-imagen inmediata de las capas celulares a través del microscopio. Imagen cortesía de Richard Superfine.

Estudiando la Mucosidad

El moco, un fluido pegajoso de consistencia similar a la clara de huevo y del grosor de una hoja de papel, actúa como filtro para los pulmones. Para cambiar dicho filtro, el cuerpo crea un flujo de moco de los pulmones a la garganta, desde donde el moco fluye hacia el estomago. Filamentos en el pulmón, llamados cilios, mantienen el moco en movimiento.

En enfermedades pulmonares como la fibrosis cística y en pulmones dañados por contaminantes, las infecciones pueden destruir el tejido pulmonar debido a que el órgano no puede retirar el moco contaminado. Si descubrimos cómo los cilios mueven el moco a través del pulmón, podremos comprender por qué el pulmón no puede limpiar el moco y podremos mejorar las terapias para sanarlo.

Superfine y su equipo colaborarán con otros 15 investigadores en el Proyecto de Pulmón Virtual, para crear un modelo de cómo el pulmón limpia el moco. Los participantes del proyecto desarrollarán modelos de moco, de cilios, y de la química del sistema completo de limpieza del pulmón. Utilizando el microscopio de fuerza atómica y una técnica de cuentas magnéticas en la que las cuentas se pegan a los cilios y se manipulan con un imán, Superfine podrá medir la pegajosidad del moco y las fuerzas ejercidas por los cilios.

Cambiando el Proceso de la Ciencia

Para el futuro inmediato, Superfine y su equipo continuarán refinando el conjunto de instrumentos AFM y la técnica de cuentas magnéticas. Aumentarán sus estudios acerca de cómo las células responden a las fuerzas, tanto como células individuales como en cultivos de tejido. Finalmente, lo que Superfine quiere es desarrollar un sistema que permita hacer cientos de experimentos simultáneamente utilizando la técnica de cuentas magnéticas. Esto ayudará a descubrir medicamentos, especialmente fibrolíticos, como los que se usan para disolver el moco. “Podremos medir la visco-elasticidad de unos cuantos microlitros de muestras y hacerlo todo al mismo tiempo”, dice Superfine. La visco-elasticidad se refiere a los materiales que son viscosos, como la miel, y también elásticos. De esta manera se podrán probar cientos de medicamentos al mismo tiempo. Russell Taylor comenta que, “al acelerar el proceso de descubrimiento, estamos cambiando el proceso de hacer ciencia”.

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

Referencia

Liu W, Jawerth LM, Sparks EA, Falvo MR, Hantgan RR, Superfine R, Lord ST, Guthold M. Fibrin fibers have extraordinary extensibility and elasticity. Science 2006 Aug 4;313(5787):634.

Grupo tecnológico de desarrollo dentro del Centro de Sistemas de Cómputo Integrados para Microscopía y Manipulación (CISMM) en la Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill. Richard Superfine, Director del Centro, de rodillas y el cuarto de izquierda a derecha en la primera fila; y de rodillas junto a él, Russ Taylor, investigador co-principal, tercero de izquierda a derecha. Imagen cortesía de Richard Superfine.

Grupo tecnológico de desarrollo dentro del Centro de Sistemas de Cómputo Integrados para Microscopía y Manipulación (CISMM) en la Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill. Richard Superfine, Director del Centro, de rodillas y el cuarto de izquierda a derecha en la primera fila; y de rodillas junto a él, Russ Taylor, investigador co-principal, tercero de izquierda a derecha. Imagen cortesía de Richard Superfine.