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La joven científica Analía Zwick acaba de recibir una Mención Especial en la edición 2018 del Premio L`Oreal-UNESCO por las Mujeres en la Ciencia. Es doctora en Física, investigadora del CONICET en el Departamento de Física Médica del Centro Atómico Bariloche y forma estudiantes de grado y posgrado en el Instituto Balseiro. Con su grupo, desarrollará un proyecto de sensores cuánticos e imágenes por resonancia magnética nuclear.

Fecha de publicación: 21/11/2018

En la 12º edición del Premio Nacional L’Oréal-UNESCO “Por las Mujeres en la Ciencia”, una investigadora residente de Bariloche, Analía Zwick, fue galardonada con una Mención para jóvenes científicas. La entrega de premios tuvo lugar en la ciudad de Buenos Aires el jueves pasado (15 de noviembre), en el Centro Cultural de la Ciencia “C3”.

En la ceremonia organizada por L`Oreal junto al Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET),se premió a un total de seis científicas. El premio principal fue entregado a la Dra. Silvia Goyanes, por su labor dedicada a generar filtros que contribuyan a mitigar la contaminación del agua. El programa busca premiar la excelencia científica, promoviendo y estimulando la participación de las mujeres en el ámbito científico.

Una mirada “cuántica”

La científica residente en Bariloche, Analía Zwick, fue premiada por un proyecto en el que trabajará con “sensores cuánticos”, para estudiar tejidos celulares mediante imágenes por resonancia magnética nuclear. Este tipo de sensores podría permitirnos hacer imágenes a escalas mucho más pequeñas de las alcanzadas en la actualidad, y de esta manera se espera que puedan contribuir a generar nuevos métodos de diagnóstico temprano de enfermedades como el cáncer y las patologías neurodegenerativas, en el campo de la biomedicina.

Analía Zwick recibió una Mención en la edición de 2018 del Premio L`Oreal-UNESCO. Crédito Gentileza CONICETOriunda de Guatraché, La Pampa, Analía Zwick es Licenciada y Doctora en Física por la Universidad Nacional de Córdoba (UNC). En su formación, realizó prolongadas estadías en la Technische Universität Dortmund,  Alemania . Luego de realizar un posdoctorado en el Weizmann Institute of Science, de Israel, en 2016 se mudó a Bariloche. En esta ciudad es investigadora del CONICET en el Centro Atómico Bariloche, en un nuevo Departamento de Física Médica. Además de sus tareas de investigación, contribuye en la formación de estudiantes de grado y de posgrado del Instituto Balseiro, que es una institución de educación pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCuyo).

El proyecto por el cual fue premiada se llevará adelante en equipo con sus colegas y estudiantes del nuevo Laboratorio de Espectroscopía e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear del Departamento de Física Médica del Centro Atómico Bariloche. “Es un proyecto de investigación interdisciplinaria que usa conceptos de la física cuántica para desarrollar nuevas formas de adquirir imágenes por resonancia magnética”, detalló Zwick. Y explicó que el objetivo es visualizar de forma no-invasiva procesos biológicos y físicos que ocurren dentro del cuerpo a escalas muy pequeñas hoy por hoy inaccesibles de forma no invasiva.

Uno de los desafíos en el estudio de enfermedades es conocer los procesos biológicos que las producen en pequeñísimas escalas, microscópica o nanoscópica, en tamaños mil o 1 millón de veces más pequeños que un milímetro. En la actualidad, la técnica médica no invasiva de resonancia magnética no alcanza a producir imágenes en escalas tan pequeñas. “Nuestro trabajo busca sentar las bases de una herramienta que esperamos pueda identificar marcadores tempranos de ciertas patologías como el cáncer y las neurodegenerativas como el Alzheimer”, expresó la joven científica.

En otras palabras, Zwick y su equipo tienen como objetivo poder ver el universo de células y microestructuras dentro de cada pixel milimétrico de una imagen. “Para ello, nos adentramos al mundo gobernado por las leyes de la física cuántica, y buscamos desarrollar tecnologías cuánticas que sean relevantes desde un aspecto práctico en imágenes por resonancia magnética”, expresó la física, que tiene 36 años de edad.

Zwick destacó que llama sensores cuánticos a los “espines nucleares” de las moléculas de agua que componen el 70% del cuerpo humano. Estos espines funcionan como “espías” dentro del cuerpo. “Los espines son como la aguja imantada de una brújula que se orienta con el campo magnético terrestre, pero que viven en el mundo cuántico”, describe la científica.

“Estas agujas cuánticas, o espines, son mucho más sensibles a pequeñas variaciones de los campos magnéticos que dependen de la morfología del tejido biológico subyacente. Éste es un ingrediente clave que utilizamos, sumado a que las moléculas de agua se mueven de forma errática, dentro de los tejidos y de esa forma exploran sus microestructuras y nos brindan información de la misma”, agregó Zwick.

-¿El proyecto por el cual recibiste la Mención del Premio L`Oreal-UNESCO buscará “mirar” de más cerca o incluso en mejor resolución los procesos celulares vinculados con enfermedades como el cáncer?
-Sí, buscaremos mirar el universo de células, microestructuras y procesos que se esconden dentro de cada pixel milimétrico de una imagen de resonancia. Es como cuando uno mira al cielo con o sin telescopio. Un punto brillante puede ser una galaxia entera si uno logra verlo con una mejor resolución. Para lograrlo, 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. El objetivo central de nuestro proyecto de investigación es encontrar nuevas técnicas de diagnóstico no-invasivas que nos permitan detectar biomarcadores del cáncer y de enfermedades neurodegenerativas de forma temprana, para que eventualmente permitan enfrentar estas enfermedades con mayor anticipación y reducir los daños al cuerpo humano.

Analía Zwick y su equipo en Bariloche, con profesores invitados. Crédito Gentileza.-Te has formado en Argentina, Brasil, Alemania e Israel. ¿Por qué decidiste continuar con tu trayectoria en Bariloche?
-En Argentina recibí educación pública y gratuita además de becas de estudio. Por una cuestión ideológica, siempre quise volver al país para contribuir al estado y sociedad desde mi rol de científica. Además, la ciudad de Bariloche tiene al Centro Atómico y el Instituto Balseiro, el CAB-IB, con una trayectoria de excelencia científica en un entorno increíble de naturaleza. Conocí el Balseiro en 2006 participando de la tradicional escuelita “JAB”. Quedé maravillada con esta institución. Sus docentes dedicados y apasionados, sus laboratorios de punta, la visita a la empresa INVAP... Hasta tuve el honor de tener como docentes a Carlos Balseiro y Daniel Domínguez, hoy autoridades del IB. Desde 2006, se convirtió en un ideal para mí ejercer mi profesión en este lugar.

-¿Además te interesó poder trabajar en el nuevo departamento de I+D del Centro Atómico Bariloche?
-Sí. En el momento de volver al país, surgió la posibilidad de participar en la creación y desarrollo del nuevo departamento de Física Médica del CAB. En ese contexto, junto con el Dr. Gonzalo A. Álvarez, que es investigador del CONICET y docente del IB, comenzamos el nuevo Laboratorio de Espectroscopía e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear. Nuestro objetivo es el desarrollo de nuevo conocimiento, tecnologías y recursos humanos en esta área de investigación vacante.

-¿A qué se dedican las personas que trabajan en la física médica? 
-Hay distintos roles. Por un lado, hay físicos médicos que brindan asistencia en hospitales para manipular y utilizar de manera adecuada equipamientos médicos muy sofisticados. Por otro lado, hay físicos médicos que se dedican a estrechar la brecha entre la investigación básica y la investigación aplicada con el ámbito médico. A eso nos dedicamos en el Departamento de Física Médica donde trabajo, e involucra necesariamente un trabajo interdisciplinario entre varios actores. En nuestro caso en particular, exploramos conceptos de la física cuántica para desarrollar nuevas tecnologías de imágenes por resonancia magnética que puedan mostrar cambios en nuestros tejidos biológicos a escalas muy pequeñas, inaccesibles hoy en día, para poder diagnosticar enfermedades de forma no-invasiva, temprana y preventiva. Es un camino largo por recorrer, pero en el que estamos súper motivados.

-De todas las áreas que hay dentro de la física, ¿por qué te atrapó investigar en el área de la física médica?
-Me atrapó investigar en el área de Física médica por su interés y su potencial impacto en la sociedad y en nuestro país. Las tecnologías han avanzado tanto, que hoy está siendo posible vincular el mundo cuántico con los procesos biológicos que suceden en nuestro cuerpo, en particular para usar sistemas cuánticos como sensores. Esto me motivó a utilizar mi experiencia en la física cuántica, para poder generar impacto en temas relacionados a la salud y el entendimiento de nuestro cuerpo.

-¿Cuántos estudiantes estás dirigiendo en trabajos grado o posgrado del Instituto Balseiro y qué líneas investigan?
-En el nuevo laboratorio ya formamos a tres tesistas de Licenciatura en Física del IB. Estamos concluyendo dos tesis de maestrías en Física este año, una de ellas con la nueva orientación de Física en Medicina y Biología. Y este año comenzamos a formar doctorandos y postdocs. Nuestras principales líneas de investigación son en el área de espectroscopía e imágenes por resonancia magnética nuclear focalizadas en desarrollar nuevas herramientas no-invasivas; y tecnologías cuánticas con aplicaciones en física, química, biología y medicina.

-¿Querés agregar algo más?
-Un agradecimiento enorme a todo el CAB-IB, CNEA y CONICET por darnos las condiciones para que hoy estemos recibiendo este reconocimiento.

 

 

Source: Desarrollaron un novedoso método para “espiar” microestructuras en tejidos biológicos

DESARROLLARON UN NOVEDOSO MÉTODO PARA “ESPIAR” MICROESTRUCTURAS EN TEJIDOS BIOLÓGICOS

 

Un equipo de científicos en el que participa un docente del Instituto Balseiro desarrolló un novedoso método que permite generar nuevas formas de imágenes a partir de resonancia magnética nuclear (RMN). Así, los investigadores lograron mapear información morfológica de sistemas químicos y biológicos a una escala menor a la tradicional. El trabajo fue publicado en una de las revistas del grupo Nature, "Scientific Reports".

Fecha de publicación: 18/08/2017

La resonancia magnética nuclear es una técnica ampliamente utilizada en medicina. Permite realizar diagnósticos no invasivos de enfermedades como el cáncer o el Alzheimer. Sin embargo, no permite “observar” en escalas inferiores a las decenas o centenas de micrómetros. Un equipo de científicos de Argentina, Portugal e Israel presentó un nuevo método que sirve para complementar y mejorar las técnicas tradicionales.

“El nuevo método permite ver microestructuras en tejidos biológicos en situaciones que antes no podían ser vistas”, explicó uno de los autores del paper, el doctor en Física Gonzalo Álvarez, que es docente del Instituto Balseiro e investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Centro Atómico Bariloche (CAB). El trabajo fue publicado en la revista “Scientific Reports” de Nature (link al paper, aquí).

Una de las ventajas del nuevo método es que las muestras bajo estudio no deben ser rotadas, algo que implica una mayor comodidad y permitiría en el futuro utilizarlas con pacientes. Otros métodos no permiten todavía ser implementados con fines clínicos, ya que necesitan rotar al paciente o la muestra estudiada en varias direcciones espaciales para generar las imágenes.

La técnica de resonancia magnética nuclear implica el uso de imanes, que generan campos magnéticos y que permiten detectar y manipular núcleos atómicos, como los protones del agua que hay en las muestras bajo estudio. “El 70% de nuestro cuerpo está compuesto por agua, y el agua tiene protones que a su vez tienen un ‘espín nuclear’ que puede ser detectado con los equipos de RMN que hay en los hospitales”, detalló Álvarez.
“En el mundo cuántico, los espines actúan como la aguja de una brújula que se orienta con un campo magnético”, observó el científico, que realizó este trabajo con sus colegas Noam Shemesh, en Portugal, y Lucio Frydman, en Israel. Y agregó: “A los espines se los puede usar como ‘espías’ para observar dentro de los tejidos de nuestros órganos y así realizar diagnósticos médicos no invasivos”.

Álvarez, que es docente en la maestría en Física Médica del Instituto Balseiro, detalló que los espines son muy sensibles a las variaciones de los campos magnéticos. Esas variaciones dependen de la geometría y de los tamaños de las cavidades y poros de los tejidos. “Se nos ocurrió que podíamos usar esa propiedad de los espines, de alta sensibilidad a los cambios del campo magnético, para mapear la morfología de las estructuras”, explicó Álvarez. Eso, sumado a que las moléculas de agua se mueven aleatoriamente dentro de los tejidos, fue utilizado con éxito para explorar microestructuras de distintas muestras.

Álvarez regresó hace un año a Argentina para montar y llevar adelante un nuevo Laboratorio de Espectroscopia e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear en el Departamento de Física Médica de la Gerencia de Física de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) en el CAB. Previamente, hizo un posdoctorado premiado por la Fundación Alexander von Humboldt, en Alemania, y fue investigador sénior Marie Curie, un subsidio muy prestigioso de la comunidad europea, en el Instituto Weizmann, en Israel.

“Esperamos que esta nueva técnica para medir los tamaños y las morfologías de los poros y de las células ayuden a hacer diagnósticos médicos de enfermedades como el cáncer o el Alzheimer y a determinar la eficacia de los tratamientos médicos en vivo”, concluyó el científico.

Link al paper publicado en "Scientific reports" de Nature, aquí.

Link al blog de divulgación del Dr. Gonzalo Álvarez, aquí.

 

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Área de Comunicación Institucional

Instituto Balseiro

San Carlos de Bariloche, 18/08/2017

What does an atom know about its environment?

In a variety of technological fields, ranging from computing to sensing, the forefront of research is approaching the ability to develop minute devices of nanometric size – the size of a single atom. The performance of such nanometric devices is governed by quantum mechanics, as opposed to macroscopic devices whose performance is “classical”. However, the quantum performance of a nanosize device may be hampered by disturbance or noise imparted by its environment, which stem from random fluctuations of the atoms or electrons of the environment. Dr. Analia Zwick and her husband Dr. Gonzalo Alvarez, in their work with Prof. Gershon Kurizki, have considered this noise to be not only a problem but also an opportunity: they have developed a method whereby this noise may be a unique source of information on processes that take place in the vicinity of the device on nanometric scales. For example, pathology of a live tissue on such tiny scales may be diagnosed by the signature of the noise exerted by the tissue on an atom-size sensor. The key question according to Dr. Zwick and coworkers is: how much information is obtainable on the environment-induced noise from a measurement of the state of a sensor that is a single, simple (two-level) atom? The results of their theoretical study that have been published in the journal Physical Review Applied [1] are surprising and of principal significance. They assert that it is practically possible to infer from a measurement the maximal information on the noise characteristics that quantum theory allows, but only provided the atom prior to the measurement will be subject to control by an electromagnetic field in the form of a suitable pulse sequence aimed at maximizing the information on the noise characteristic in question. With appropriate control it is possible to obtain the maximal information by the atomic sensor. The researchers demonstrate the applicability of their general method to a sensor which is currently the subject of high hopes by the research community – a nano-diamond with a defect known as a color center in which a nitrogen atom is vacant (alias NV center). Dr. Zwick and coworkers anticipate that invaluable information may be obtained on physical, chemical and biomedical processes from the characteristics of noise that affects the quantum states of the NV-center defect, under the microwave control they have designed.

[1] Analia Zwick, Gonzalo A. Álvarez and Gershon Kurizki, Phys. Rev. Applied 5, 014007 (2016)

 

 

 

 

 

 

 

 

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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