Desde el mundo cuántico a la medicina:

Traspasando los límites de las imágenes por resonancia magnética

 

Traspasando limites

Uno de los grandes desafíos para ser exitosos combatiendo enfermedades como el cáncer o enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, es entender a nivel celular los procesos biológicos que las producen. Esto sucede a escalas microscópicas o nanoscópicas: tamaños 1000 ó 1 millón de veces más pequeños que la distancias entre las rayitas de un milímetro en una regla escolar.  Científicos en el mundo entero están desarrollando técnicas para poder estudiar estas enfermedades a esas pequeñas escalas. Hasta el día de hoy, la mayoría de las técnicas desarrolladas son muy invasivas. Las imágenes por resonancia magnética son particularmente muy importantes porque pueden obtenerse de formas no invasivas. Sin embargo, estas imágenes normalmente permiten observar los tejidos del cuerpo humano distinguiendo tamaños de un milímetro, como los de la regla.  Es decir no permiten observar de forma directa las estructuras y procesos biológicos dentro de ese milímetro. Esto es similar a percibir con nuestros ojos una estrella en el cielo. Esa “estrella”, en realidad puede ser una galaxia entera que no podemos ver en detalle con nuestros ojos.

 

Cómo romper esa barrera y poder ver el universo de células y microestructuras dentro de cada pixel milimétrico de una imagen? Esa fue la pregunta que nos hicimos como investigadores, Gonzalo A. Álvarez, miembro del CONICET en el Centro Atómico Bariloche, Noam Shemesh Profesor en el Champalimaud Centre for the Unknown (Centro Champalimaud para lo desconocido) en Portugal, y Lucio Frydman Profesor en el Instituto Weizmann en Israel. Para responder esta pregunta, encaramos este proyecto de forma interdisciplinaria. Usamos conceptos de la física cuántica fundamental, para romper las barreras impuestas por las tecnologías actuales y la complejidad del mundo de la biología y la medicina a esas escalas tan pequeñas.

 

La forma tradicional de generar imágenes por resonancia magnética es detectando la cantidad de moléculas de agua que tenemos dentro de nuestro cuerpo. El 70% de nuestro cuerpo está compuesto por agua, y el agua tiene protones que tienen un “espín nuclear” que puede ser detectado con los equipos de imágenes que hay en los hospitales. A los espines se los puede usar como “espías” para observar por dentro los tejidos de nuestros órganos y poder realizar diagnósticos médicos no invasivos. Los espines son como la aguja de una brújula que se orientan con campos magnéticos, pero que viven en el mundo cuántico. De la misma forma que la aguja de una brújula se orienta siempre apuntando al norte, siguiendo la orientación del campo magnético de la tierra, las agujas cuánticas lo hacen a lo largo de campos magnéticos aplicados, que son más intensos que los de la tierra. Sin embargo, las agujas cuánticas son mucho más sensibles que las de la brújula, a muy pequeñas variaciones de los campos magnéticos. Éste fue un ingrediente clave que utilizamos, sumado a que las moléculas de agua se mueven aleatoriamente, de forma errática, dentro de los tejidos y de esa forma exploran sus microestructuras.

 

Una forma un poco menos tradicional de hacer imágenes por resonancia magnética, es usar esta propiedad de las moléculas que se mueven dentro de las cavidades pequeñas de los tejidos para detectar poros y células. Las moléculas en algún momento chocan con los bordes de las cavidades y luego se puede inferir la forma de las microestructuras. Sin embargo, estos mecanismos muchas veces no funcionan, ya que hay que esperar mucho tiempo hasta que las moléculas exploren los bordes, y eso hace que no se pueda detectarlas. Para resolver ese problema, se nos ocurrió que alternativamente se puede usar la alta sensibilidad de estas agujas cuánticas a los cambios del campo magnético, aprovechando de que éstos dependen de la geometría y los tamaños de las cavidades en las microestructuras de los tejidos. Así logramos ver los tamaños y las geometrías de las cavidades, sin necesidad de esperar a que las moléculas choquen contra los bordes. Para dar un ejemplo más cotidiano, imaginémonos que nos encontramos en una habitación a oscuras y queremos encontrar la puerta, que por suerte está abierta, y eventualmente podremos salir. El procedimiento natural, si no se conoce la habitación, sería comenzar a explorar la habitación con el tacto, hasta encontrar las paredes, para luego explorar dónde se encuentra la puerta. Lo revolucionario del nuevo método que propusimos, es que se nos ocurrió que en vez de tantear las paredes, se puede sentir algo similar al movimiento del aire dentro de la habitación. Por supuesto este aire entra y sale por la puerta, y de esa forma, al sentir la dirección en la que el aire se mueve, se puede determinar dónde está la puerta sin tocarla.  De esa forma logramos determinar las microestructuras de los tejidos, de forma no invasiva y “sin tocarlas”.

 

Este resultado los publicamos en la revista Scientific Reports de Nature, una revista de alto prestigio en el mundo de la ciencia. Esta nueva forma de hacer imágenes para medir los tamaños y morfologías de los poros y las células, incluyendo cambios sufridos por las células en tejidos vivos, proporciona una manera completamente no invasiva que promete abrir una plétora de aplicaciones y tecnologías médicas. En particular para hacer diagnósticos por imágenes y determinar la eficacia de los tratamientos médicos. Principalmente diagnósticos para investigar la naturaleza de la compartimentación de tejidos “in vivo”, brindará nuevos mecanismos para informar si existen tejidos patológicos como los cancerígenos o los de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. Se espera también que pueda ser útil para monitorear cambios fisiológicos sufridos por las células del cerebro humano cuando lo utilizamos para diferentes actividades. Estos últimos, son de mucho interés en neurociencias, un área de investigación que se dedica a entender cómo funciona el cerebro. Al poder ver más allá que con los métodos tradicionales, tenemos esperanzas de poder contribuir a que se mejore la prevención y detección temprana de enfermedades.

 

Link al paper publicado en "Scientific reports" de Nature

Link a Noticias del Instituto Balseiro

 

Dr. Gonzalo A. Álvarez
Centro Atómico Bariloche, Instituto Balseiro, CONICET, CNEA

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