Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Reorganización de una carrera científica – De la ingeniería a la biología y de nuevo marcha atrás

Wednesday, June 21, 2006

Dre. Peter Siegel

Peter Siegel tiene una increíble habilidad para unir mundos divergentes. Él ha aprendido a pensar y hablar como un ingeniero y como un biólogo. Construyó instrumentos para satélites que mapean contaminantes en la parte superior de la atmósfera y realizan el seguimiento del vapor de agua y del ozono – información crítica para evaluar el calentamiento global. También está en proceso de modificar estos instrumentos para obtener imágenes de tejido humano a fin de revelar diferencias entre el tejido canceroso y el normal.

Siegel, un científico ingeniero senior en el Laboratorio de Propulsión a Chorro del Instituto Tecnológico de California que está en sus cincuenta, ha dedicado su carrera a explorar las ondas en la banda de terahertzios: La porción del espectro electromagnético en el infrarrojo lejano más allá de la luz visible. La radiación en la banda de terahertzios tiene frecuencias de 1 trillón de ciclos por segundo, lo cual es 1.000 veces más que las frecuencias de microondas que convierten mazorcas normales de maíz en crujientes palomitas.

"Los materiales en la frecuencia d terahertzios tienen propiedades de absorción muy diferentes a las de infrarrojos y ópticas", explica Siegel. "Imaginé que si hay diferencias tan grandes en algunas sustancias de forma que la gente pueda usar continuamente el rango de terahertzios para indentificación, entonces quizás tales diferencias en biomateriales existan...y estaba intrigado sobre si podríamos encontrar o no otras aplicaciones".

Haciendo el cambio

Hace cuatro años, un cambio en los proyectos laborales dio a Siegel la oportunidad de seguir su corazonada. Para Siegel que tiene una licenciatura en astronomía y física por la Universidad Colgate, un máster en física y un doctorado en ingeniería eléctrica de la Universidad de Columbia, había sólo un problema – la última clase de biología que tomó fue como estudiante de primer año en high school.

Entre a las becas K25 de los Institutos Nacionales para la Salud, diseñadas para apoyar económicamente a científicos de computadoras, físicos, matemáticos, economistas o ingenieros en la mitad de sus carreras para que se eduquen en el campo de la biología. El propósito final de la beca es permitir a estos profesionales proseguir la investigación que pone sus aptitudes cuantitativas a trabajar respondiendo preguntas relacionadas con la salud y las enfermedades.

Ahora tres años y medio después de su beca K25 de cinco años y varios cursos universitarios en química y biología, Siegel está experimentando el espectro completo de investigación interdisciplinaria. "En vez de convertirme en biólogo, utilicé la beca K25 para ampliar mis conocimientos fuera de mi campo principal lo suficiente como para poder aplicarlo a un área totalmente nueva".

Respondiendo preguntas básicas

Scott Fraser, que se especializa en biología del desarrollo e imágenes en el Instituto Tecnológico de California, es uno de los tutores de Siegel. "Peter es una increíble fuerza en el laboratorio. Está trabajando en un rango de longitud de onda que es extremadamente rico en información", dice Fraser. La creación de un dispositivo para dirigir las ondas en la banda de terahertzios a una muestra biológica requiere que Siegel responda preguntas operativas muy básicas, tal como cómo montar la muestra en el dispositivo. "Es como empezar al principio con un microscopio óptico para ver una muestra con luz visible", dice Fraser. "Lo excitante del trabajo de Peter es que está aplicando la obtención de imágenes en un entorno biomédico usando un rango de longitud de onda que no había sido explorado".

Para Siegel, la beca K25 ha sido una experiencia estimuladora y humilde. "Tuve que retroceder al punto de partida y aprender un dialecto y una forma de pensar totalmente nuevos", dice. "Mi curso de fisiología me abrió realmente los ojos porque hizo que me diera cuenta de lo complejo que es incluso la función más sencilla del cuerpo. Lo más complejo que nunca he visto en toda mi carrera de ingeniería". Pero Fraser dice que el rico reservorio de experiencias previas de Siegel le da una "panorámica completa. Literalmente, es uno de los pocos en el mundo que puede atacar estos problemas", dice Fraser.

Una nueva forma de ver

Si tiene éxito, la investigación de Siegel podría producir una potente herramienta de obtención imágenes para el estudio de muestras biológicas. Los rayos en la banda de terahertzios son mucho menos energéticos que los rayos X (no ionizan el tejido, sólo lo calientan ligeramente), por lo que no poseen los mismos riesgos para la salud. Aunque los rayos en la banda de terahertzios no puden penetrar profundamente en el tejido debido a la alta absorción de agua, pueden obtener imágenes a unos cuantos milímetros de profundidad de la superficie con menos dispersión que las longitudes de onda infrarrojas u ópticas. Los rayos en la banda de terahertzios se han utilizado para obtener imágenes del alcance de un tumor subcutáneo y visualizar las quemaduras debajo de los vendajes.

Las colaboraciones con el cirujano de la Universidad de California-Los Angeles y tutor de la beca K25 Warren Grundfest y los patólogos, Dr. Harry Vinters y Dr. George Thomas están permitiendo a Siegel probar esta novedosa instrumentación en la banda de terahertzios y técnicas de tinción para ver si pueden revelar diferencias entre tejidos normales y cancerosos, y estudiar las diferencias cuantificadoras de estadificación en tejido cerebral infectado por Alzheimir a través de mecanismos adicionales de subvención del NIH.

Otros investigadores están tratando de obtener imágenes de material biológico en la banda de terahertzios, y unos pocos están probando su tecnología en estudios clínicos. Sin embargo, las fuentes de radiación usadas en la banda de terahertzios se basan en impulsos rápidos de láser óptico que generan necesariamente energía de banda muy ancha con menos potencia por longitud de onda unidad que la de las fuentes que Siegel ha estado desarrollando y utilizando en experimentos espaciales.

Los detectores y las fuentes de radiación en la banda de terahertzios de Siegel proceden de tecnología real y probada que es una ampliación de los métodos que se desarrollaron originalmente para radio y radar. Él cree que estas técnicas ofrecen un rango más dinámico para detectar diferencias sutiles o grandes en la absorción de tejido y también ofrecen una bolsa llena de trucos que se aplican normalmente a los sofisticados algoritmos de reconocimiento e imágenes por radar.

Desafíos grandes y pequeños

Cuando Siegel decidió perseguir sus intereses biológicos sabía que la aventura podría ser exigente pero, de una manera extraña, estaba en la clase donde enfrentaba su desafío más grande. Cuando estaba sentado en su primer curso de seminario sobre biología, su único hijo, que también resultó ser un estudiante de primer año que asistía a Caltech, entró en la clase con un grupo de amigos y se sentó. Viendo que su hijo tenía una horrible expresión cuando le vio sentado en la clase, Siegel se resistió a saludar con la mano. "Dándome cuenta de que un adolescente que estaba luchando por conseguir alguna independencia del hogar no apreciaría tener a su padre en la clase con ellos, no le presté ninguna atención, él no me prestó atención alguna y sus amigos nunca descubrieron que estábamos emparentados".

Sección de la próstata de un ratón con tejido tumoral (círculo), imagen obtenida con radiación en la banda de terahertzios, óptica y técnicas de tinción. La imagen obtenida en la banda de terahertzios muestra una reducción importante de la absorción de la radiación en la banda de terahertzios en esta región comparada con el tejido normal, lo que sugiere su utilidad para detectar tumores. Cortesia: Peter Siegel

Sección de la próstata de un ratón con tejido tumoral (círculo), imagen obtenida con radiación en la banda de terahertzios, óptica y técnicas de tinción. La imagen obtenida en la banda de terahertzios muestra una reducción importante de la absorción de la radiación en la banda de terahertzios en esta región comparada con el tejido normal, lo que sugiere su utilidad para detectar tumores. Cortesia: Peter Siegel