Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Un Novedoso Escáner TEP/MRI Expande los Estudios de Cáncer y Medicamentos

Wednesday, May 28, 2008

Mientras la comunidad médica comienza a aceptar el concepto de medicina personalizada – tratamientos terapéuticos adaptados para cada individuo – se requiere de nuevas herramientas para observar cómo responde el cuerpo tanto a la enfermedad como al tratamiento.

Una de esas herramientas, la tomografía por emisión de positrones combinada con tomografía computarizada (TEP/TC), está ganando mayor aceptación en los ambientes clínicos gracias a su habilidad para identificar y evaluar el cáncer, la cardiopatía, y los desórdenes cerebrales. Las imágenes TEP/TC ofrecen a los médicos información de la estructura (por TC) así como de la función del tejido (por TEP). Sin embargo, la TEP/TC tiene varias desventajas: escaneos repetidos incrementan la cantidad de radiación ionizante a la que se exponen los pacientes, la TC no toma imágenes de tejido suave tan bien como la resonancia magnética (MRI por sus siglas en inglés), y la TC no tiene el mismo grado de flexibilidad que una MRI para proveer información funcional y fisiológica.

Un equipo de investigación dirigido por Simon Cherry, Profesor de Ingeniería Biomédica en la Universidad de California en Davis, desarrolló un nuevo sistema de imágenes que responde a las limitaciones de la TEP/TC. Han ligado la TEP con una MRI no-ionizante en un sólo sistema que adquiere información de la MRI y de la TEP simultáneamente. Sin embargo, el combinar estos métodos de imágenes no fue tarea fácil ya que los dos sistemas pueden interferir fácilmente uno con otro y producir imágenes de baja calidad.

 

El Reto de la Combinación

Una imagen combinada de TEP/MRI muestra un linfoma en la ingle de un ratón. La imagen superior muestra la localización (roja) de un agente de imagen (18F-FDG) en el tumor, encima de una imagen de MRI tomada simultáneamente y que muestra intestinos (óvalos oscuros) y médula espinal (punto brillante en la parte central superior). La imagen de MRI en la parte inferior (tomada minutos después) muestra un mapa cuantitativo del movimiento difusivo de agua dentro del tumor. Imagen por cortesía de Thomas Ng y Daniel Procissi, Instituto Tecnológico de California en Pasadena.

A combined PET/MRI image shows a lymphoma tumor in a mouse's groin area. The top image shows localization (red) of an imaging agent (18F-FDG) in the tumor on top of a simultaneously recorded MR image showing bowels (dark ovals) and spinal cord (center top bright spot). The bottom MR image (recorded minutes later) shows a quantitative map of diffusive water movement within the tumor. Image courtesy of Thomas Ng and Daniel Procissi, California Institute of Technology, Pasadena.

La TEP rastrea el movimiento de moléculas especialmente diseñadas llamadas radiomarcadores a través del cuerpo, dando información de la concentración de estas moléculas, pero no identifica fácilmente la localización anatómica de la señal. La MRI ofrece imágenes de alta resolución del tejido suave utilizando un campo magnético fuerte. Los investigadores usan ambos métodos en investigación tanto clínica como básica.

Los problemas surgen cuando los investigadores tratan de asociar la información de TEP y MRI. Las imágenes obtenidas con sistemas separados deben alinearse utilizando un software que busca marcadores idénticos en las dos imágenes, un gran reto cuando se trata de órganos en el tórax y el abdomen que fácilmente se pueden desplazar o cambiar de forma cuando se mueve al paciente de un escáner a otro. Usar sistemas separados significa también que la información es obtenida en distintos momentos. La absorción del medicamento o distribución de un agente de imágenes ocurre frecuentemente en cuestión de segundos, dejando poco tiempo para cambiarse de una TEP a un escáner de MRI.

Con estos puntos en mente, Cherry y su equipo de ingenieros de la Universidad de California en Davis, del Instituto Tecnológico de California, y de la Universidad de Tübingen, diseñaron y construyeron un dispositivo de TEP que se desliza dentro de un escáner de MRI. Se eligieron componentes para minimizar la interferencia electrónica y magnética entre los dos sistemas.

Cherry explica, “El escáner combinado TEP/MRI ofrece información altamente complementaria que permite estudiar diferentes aspectos de un sistema biológico alineado en el tiempo y el espacio. Debido a que los sistemas biológicos son sistemas dinámicos y complejos, esto ofrece grandes oportunidades para hacer preguntas acerca de la validación de nuevas terapias, de diagnósticos, y de biomarcadores que son muy difíciles de responder usando sistemas de imágenes separados”.

 

Herramienta de Imágenes No-Clínica

Cherry cree que el sistema TEP/MRI se convertirá en una herramienta clave en la investigación animal no-clínica. En dichos estudios de medicamentos, el dispositivo de imágenes permitirá a los investigadores monitorear la efectividad del medicamento al paso del tiempo en el mismo animal, disminuyendo el número de animales utilizados en un experimento. El comenta, “Seremos capaces de alcanzar el mismo nivel de significatividad estadística con muchos menos animales”.

Estudios del equipo de Cherry en ratones con tumores implantados han demostrado la capacidad del sistema TEP/MRI para diferenciar tejido maligno, tejido muerto, e inflamación en un tumor. Los investigadores han realizado también imágenes del cuerpo completo con este sistema. Este tipo de toma de imágenes permite la evaluación de cambios estructurales y fisiológicos en los diferentes sistemas orgánicos. En estudios de metástasis de cáncer (la propagación de células de tumores a zonas distantes al sitio original del cáncer), la TEP puede localizar las células migrantes y la MRI puede dar información estuctural o funcional de dónde exactamente se localiza la metástasis.

Cherry dice, “La meta en los animales es entender mejor la evolución de la enfermedad y cómo interactúan los tratamientos con un modelo animal. Lo más temprano que podamos detectar los efectos de una intervención terapéutica [en animales] será lo mejor. Esto nos permitirá acelerar e informar la decisión de cual estrategia terapéutica debe dirigirse a estudios clínicos en humanos y, eventualmente, estratificar quién debe tomar tales medicamentos. Esto ayudará a establecer los fundamentos de la medicina personalizada”.

 

Herramienta Clínica Potencial

Mientras que las imágenes por TEP/MRI ofrecen una visualización clara de los tejidos y los órganos, tintes de imagen únicos o agentes de contraste aclaran las estructuras con una precisión excepcional. Puede ser que dichos agentes sean la clave para la completa aceptación del sistema hibrido como herramienta clínica. Para resolver este asunto, Cherry nombró a su colega de UC Davis Angelique Louie, Profesora Asociada del Departamento de Ingeniería Biomédica, especializada en el diseño de novedosos agentes de imágenes. Ella ha creado varios agentes novedosos que contienen iones paramagnéticos para MRI y también iones de emisión de positrones para TEP. Estos compuestos permitirán que los investigadores tomen total ventaja de la alta resolución espacial de la MRI para ver las estructuras de los tejidos y de la alta sensibilidad de la TEP para ver concentraciones de células.

Una aplicación que Louie está estudiando involucra placas para imágenes o depósitos grasos en los vasos sanguíneos. Investigaciones indican que las placas son más propensas a romperse si tienen altas concentraciones de macrófagos (células que devoran y destruyen bacteria y otra materia extraña) y patrones específicos de distribución de macrófagos. Una ruptura de placa puede crear complicaciones de vida o muerte tales como un ataque al corazón o un infarto.

Louie explica, “Ahora se entiende que la causa de los mayores resultados desfavorables de salud no es el tamaño de la placa sino la probabilidad de que se rompa”. Para obtener imágenes de la placa Louie creó agentes que apuntan a macrófagos. Cuando se inyectan en el cuerpo, los agentes de contraste se acumulan en estas células. “Nosotros suponemos que la TEP se usará para realizar exámenes que identifiquen las lesiones más vulnerables y entonces la alta resolución de la MRI se usará para determinar la distribución de macrófagos y la densidad en estas placas”.

Aunque Cherry es cauteloso en su optimismo acerca del potencial del sistema TEP/MRI para uso clínico extensivo, Louie espera una rápida transición. Louie comenta, “El área de ventas con mayor crecimiento en instrumentos de imágenes es la de TEP/TC y ha sido adoptada en la clínica cada vez más”. Con instrumentos TEP/MRI a escala humana actualmente en desarrollo por fabricantes de sistemas de imágenes clínicos, “Parece que la TEP/MRI está lista para seguir una trayectoria similar a la TEP/TC”.

Este trabajo está apoyado por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

 

Referencias

Catana C, Procissi D, Wu Y, Judenhofer MS, Qi J, Pichler BJ, Jacobs RE, Cherry SR. Simultaneous in vivo positron emission tomography and magnetic resonance imaging. Proc Natl Acad Sci. 2008 Mar 11;105(10):3705-10.

Cherry SR, Louie AY, Jacobs RE. The integration of positron emission tomography with magnetic resonance imaging. Proc IEEE. 2008 Mar;96(3):416-38.