Este artículo se publica en colaboración con Caltech.
Una nueva técnica desarrollada en Caltech, que utiliza microburbujas llenas de gas para enfocar la luz dentro de los tejidos, podría algún día ofrecer a los médicos una forma mínimamente invasiva de destruir tumores con láseres y mejorar el diagnóstico por imagen.
“Nuestros tejidos se comportan como una niebla densa en lo que respecta a la luz”, afirma Changhuei Yang, profesor de ingeniería eléctrica, bioingeniería e ingeniería médica. “Al igual que no podemos enfocar el faro de un coche a través de la niebla, los científicos siempre han tenido dificultades para enfocar la luz a través de los tejidos.”
Para sortear este problema, Yang y su equipo recurrieron a las microburbujas, que se emplean habitualmente en medicina para mejorar el contraste en la ecografía.
Las microburbujas llenas de gas están encapsuladas en finas cubiertas proteicas y tienen un índice de refracción acústico (una propiedad que afecta a la forma en que las ondas sonoras se propagan por un medio) distinto al del tejido vivo. Como resultado, responden de manera diferente a las ondas sonoras. “Se puede utilizar ultrasonido para hacer que las microburbujas se contraigan y se expandan rápidamente, y esta vibración ayuda a distinguirlas del tejido circundante, porque hace que reflejen las ondas sonoras de forma más eficaz que el tejido biológico”, afirma Haowen Ruan, becario posdoctoral en el laboratorio de Yang.
Además, el índice de refracción óptico de las microburbujas no es el mismo que el del tejido biológico. El índice de refracción óptico mide cuánto se desvían los rayos de luz al pasar de un medio (por ejemplo, un líquido) a otro (un gas).
Yang, Ruan y el estudiante de posgrado Mooseok Jang desarrollaron una técnica novedosa denominada enfoque óptico con microburbujas codificadas por ultrasonido de tiempo invertido (TRUME), que aprovecha la diferencia entre los índices de refracción acústico y óptico de las microburbujas y del tejido para enfocar la luz dentro del cuerpo. En primer lugar, las microburbujas inyectadas en el tejido se rompen con ondas de ultrasonido. Midiendo la diferencia en la transmisión de la luz antes y después de dicho evento, los investigadores de Caltech pueden modificar el frente de onda de un haz láser para que se enfoque en las ubicaciones originales de las microburbujas. El resultado, explica Yang, “es como buscar a alguien en un campo oscuro y, de repente, esa persona lanza una bengala. Durante un breve instante, la persona queda iluminada y puedes localizar su posición”.
En un nuevo estudio, publicado en línea el 24 de noviembre de 2015 en la revista Nature Communications, el equipo demostró que su técnica TRUME podía utilizarse como una eficaz “guía de estrella” para enfocar haces láser en ubicaciones específicas de un tejido biológico. Una sola microburbuja bien colocada bastó para enfocar el láser con éxito; varias burbujas que estallaban en las inmediaciones de un objetivo funcionaron como un mapa para la luz.
“Cada evento de ruptura sirve como una hoja de ruta para las trayectorias sinuosas de la luz a través del tejido”, afirma Yang. “Podemos usar esa hoja de ruta para dar forma a la luz de manera que converja donde estallan las burbujas.”
Si se demuestra que TRUME funciona de manera eficaz dentro del tejido vivo, sin, por ejemplo, efectos negativos derivados de la rotura de las microburbujas, podría posibilitar una serie de aplicaciones de investigación y médicas. Por ejemplo, combinando las microburbujas con una sonda de anticuerpos diseñada para buscar biomarcadores asociados al cáncer, los médicos podrían localizar y después destruir tumores situados en las profundidades del cuerpo, o detectar crecimientos malignos mucho antes.
“El ultrasonido y las técnicas de rayos X solo pueden detectar el cáncer después de que forme una masa”, afirma Yang. “Pero con el enfoque óptico, se podrían detectar células cancerosas mientras experimentan cambios bioquímicos, pero antes de que sufran cambios morfológicos.”
La técnica podría sustituir a otros métodos de cribado diagnóstico. Por ejemplo, podría utilizarse para medir las concentraciones de una proteína llamada bilirrubina en bebés con el fin de determinar su riesgo de ictericia. “Actualmente, este procedimiento requiere una extracción de sangre, pero con TRUME podríamos iluminar el cuerpo de un bebé y buscar la firma de absorción característica de la molécula de bilirrubina”, afirma Ruan.
En combinación con las técnicas existentes que permiten a los científicos activar neuronas individuales en animales de laboratorio mediante luz, TRUME podría ayudar a los neurocientíficos a comprender mejor cómo funciona el cerebro. “Actualmente, los neurocientíficos están limitados a las capas superficiales del cerebro”, afirma Yang. “Pero nuestro método de enfoque óptico podría permitir una forma mínimamente invasiva de explorar regiones más profundas del cerebro.”
El artículo se titula “Optical focusing inside scattering media with time-reversed ultrasound microbubble encoded (TRUME) light.” El estudio contó con el respaldo de los Institutos Nacionales de Salud, de la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud y de una propuesta de investigación colaborativa GIST-Caltech.
La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde los puntos de vista expresados.
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Autor: Ker Than es escritor científico y director asociado de comunicación de la Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences.
Imagen: Un científico prepara muestras de proteínas para su análisis en un laboratorio del Institute of Cancer Research en Sutton. REUTERS/Stefan Wermuth.
