La obtención de imágenes moleculares es un campo de la obtención de imágenes médicas que se centra en la obtención de imágenes de moléculas de interés médico en pacientes vivos. Esto contrasta con los métodos convencionales para obtener información molecular de muestras de tejido preservadas, como la histología . Las moléculas de interés pueden ser las producidas naturalmente por el cuerpo o las moléculas sintéticas producidas en un laboratorio e inyectadas en un paciente por un médico. El ejemplo más común de obtención de imágenes moleculares que se utiliza clínicamente en la actualidad es inyectar un agente de contraste (p. ej., una microburbuja , un ion metálico o un isótopo radiactivo) en el torrente sanguíneo de un paciente y utilizar una modalidad de obtención de imágenes (p. ej., ecografía , resonancia magnética , tomografía computarizada , tomografía por emisión de positrones ) para rastrear su movimiento en el cuerpo. La obtención de imágenes moleculares se originó en el campo de la radiología a partir de la necesidad de comprender mejor los procesos moleculares fundamentales dentro de los organismos de una manera no invasiva.
El objetivo final de la obtención de imágenes moleculares es poder controlar de forma no invasiva todos los procesos bioquímicos que ocurren dentro de un organismo en tiempo real. La investigación actual en el campo de las imágenes moleculares abarca la biología celular / molecular , la química y la física médica , y se centra en: 1) desarrollar métodos de obtención de imágenes para detectar tipos de moléculas que antes no se podían detectar, 2) ampliar la cantidad y los tipos de agentes de contraste disponibles, y 3) desarrollar agentes de contraste funcionales que proporcionen información sobre las diversas actividades que realizan las células y los tejidos tanto en la salud como en la enfermedad.
La imagen molecular surgió a mediados del siglo XX como una disciplina en la intersección de la biología molecular y la imagen in vivo . Permite visualizar la función celular y seguir los procesos moleculares en organismos vivos sin perturbarlos. Las múltiples y numerosas potencialidades de este campo son aplicables al diagnóstico de enfermedades como el cáncer, las enfermedades neurológicas y cardiovasculares. Esta técnica también contribuye a mejorar el tratamiento de estas enfermedades al optimizar los ensayos preclínicos y clínicos de nuevos medicamentos. También se espera que tenga un gran impacto económico debido a un diagnóstico más temprano y preciso. La imagen molecular y funcional ha tomado una nueva dirección desde la descripción del genoma humano. Los nuevos caminos en la investigación fundamental, así como en la investigación aplicada e industrial, hacen que la tarea de los científicos sea más compleja y aumentan las exigencias que se les imponen. Por lo tanto, es necesario un programa de enseñanza a medida.
La obtención de imágenes moleculares se diferencia de las técnicas tradicionales en que se utilizan sondas conocidas como biomarcadores para ayudar a obtener imágenes de objetivos o vías específicos. Los biomarcadores interactúan químicamente con su entorno y, a su vez, alteran la imagen de acuerdo con los cambios moleculares que se producen en el área de interés. Este proceso es notablemente diferente de los métodos anteriores de obtención de imágenes, que principalmente obtenían imágenes de diferencias en cualidades como la densidad o el contenido de agua. Esta capacidad de obtener imágenes de cambios moleculares finos abre un increíble número de posibilidades interesantes para la aplicación médica, incluida la detección temprana y el tratamiento de enfermedades y el desarrollo farmacéutico básico. Además, la obtención de imágenes moleculares permite realizar pruebas cuantitativas, lo que confiere un mayor grado de objetividad al estudio de estas áreas. Una tecnología emergente es la obtención de imágenes moleculares MALDI basadas en espectrometría de masas . [ cita requerida ]
En el campo de la imagen molecular se están llevando a cabo muchas áreas de investigación. Actualmente, gran parte de la investigación se centra en la detección de lo que se conoce como estado de predisposición o estados moleculares que ocurren antes de que se detecten los síntomas típicos de una enfermedad. Otras líneas de investigación importantes son la obtención de imágenes de la expresión génica y el desarrollo de nuevos biomarcadores. Se han creado organizaciones como el Centro de Innovación y Traslación de la Imagen Molecular (CMIIT) de la SNMMI para apoyar la investigación en este campo. En Europa, otras "redes de excelencia" como DiMI (Diagnostics in Molecular Imaging) o EMIL (European Molecular Imaging Laboratories) trabajan en esta nueva ciencia, integrando actividades e investigaciones en el campo. De este modo, se está creando un Programa de Máster Europeo "EMMI" para formar a una nueva generación de profesionales en imagen molecular.
Recientemente, el término imágenes moleculares se ha aplicado a una variedad de técnicas de microscopía y nanoscopía, incluidas la microscopía de células vivas, la microscopía de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF), la nanoscopía de agotamiento de emisión estimulada (STED) y la microscopía de fuerza atómica (AFM), ya que aquí las imágenes de las moléculas son la lectura.
Existen muchas modalidades diferentes que se pueden utilizar para la obtención de imágenes moleculares no invasivas. Cada una tiene sus propias ventajas y desventajas, y algunas son más adecuadas que otras para obtener imágenes de múltiples objetivos.
La resonancia magnética tiene la ventaja de tener una resolución espacial muy alta y es muy adecuada para la obtención de imágenes morfológicas y funcionales. Sin embargo, la resonancia magnética tiene varias desventajas. En primer lugar, la resonancia magnética tiene una sensibilidad de alrededor de 10 −3 mol/L a 10 −5 mol/L que, en comparación con otros tipos de imágenes, puede ser muy limitante. Este problema se debe al hecho de que la diferencia entre los átomos en el estado de alta energía y el estado de baja energía es muy pequeña. Por ejemplo, a 1,5 Tesla , una intensidad de campo típica para la resonancia magnética clínica, la diferencia entre los estados de alta y baja energía es de aproximadamente 9 moléculas por 2 millones. [ cita requerida ] Las mejoras para aumentar la sensibilidad de la RM incluyen el aumento de la intensidad del campo magnético y la hiperpolarización mediante bombeo óptico, polarización nuclear dinámica o polarización inducida por parahidrógeno . También hay una variedad de esquemas de amplificación de señales basados en el intercambio químico que aumentan la sensibilidad. [1]
Para lograr imágenes moleculares de biomarcadores de enfermedades mediante resonancia magnética, se requieren agentes de contraste de resonancia magnética dirigidos con alta especificidad y alta relaxividad (sensibilidad). Hasta la fecha, se han dedicado muchos estudios al desarrollo de agentes de contraste de resonancia magnética dirigidos para lograr imágenes moleculares mediante resonancia magnética. Comúnmente, se han aplicado péptidos, anticuerpos o ligandos pequeños y dominios proteicos pequeños, como los aficuerpos HER-2, para lograr la focalización. Para mejorar la sensibilidad de los agentes de contraste, estas fracciones de focalización generalmente se vinculan a agentes de contraste de resonancia magnética de alta carga útil o agentes de contraste de resonancia magnética con altas relaxividades. [2] En particular, el desarrollo reciente de partículas de óxido de hierro de tamaño micrométrico (MPIO) permitió alcanzar niveles sin precedentes de sensibilidad para detectar proteínas expresadas por arterias y venas. [3]
Existen varios métodos que se utilizan para la obtención de imágenes ópticas. Los distintos métodos dependen de la fluorescencia , la bioluminiscencia , la absorción o la reflectancia como fuente de contraste. [4]
El atributo más valioso de las imágenes ópticas es que éstas y la ecografía no plantean grandes problemas de seguridad como las otras modalidades de imágenes médicas. [ cita requerida ]
La desventaja de la obtención de imágenes ópticas es la falta de profundidad de penetración, especialmente cuando se trabaja en longitudes de onda visibles. La profundidad de penetración está relacionada con la absorción y dispersión de la luz, que es principalmente una función de la longitud de onda de la fuente de excitación. La luz es absorbida por los cromóforos endógenos que se encuentran en el tejido vivo (por ejemplo, hemoglobina, melanina y lípidos). En general, la absorción y dispersión de la luz disminuyen al aumentar la longitud de onda. Por debajo de ~700 nm (por ejemplo, longitudes de onda visibles), estos efectos dan como resultado profundidades de penetración poco profundas de solo unos pocos milímetros. Por lo tanto, en la región visible del espectro, solo es posible una evaluación superficial de las características del tejido. Por encima de 900 nm, la absorción de agua puede interferir con la relación señal-fondo. Debido a que el coeficiente de absorción del tejido es considerablemente menor en la región del infrarrojo cercano (NIR) (700-900 nm), la luz puede penetrar más profundamente, a profundidades de varios centímetros. [5]
Las sondas y marcadores fluorescentes son una herramienta importante para la obtención de imágenes ópticas. Algunos investigadores han aplicado la obtención de imágenes NIR en modelos de ratas de infarto agudo de miocardio (IAM), utilizando una sonda peptídica que puede unirse a células apoptóticas y necróticas. [6] Se han empleado varios fluoróforos de infrarrojo cercano (NIR) para la obtención de imágenes in vivo, incluidos los colorantes y conjugados Kodak X-SIGHT, Pz 247, fluorescencias DyLight 750 y 800, fluorescencias Cy 5.5 y 7, colorantes Alexa Fluor 680 y 750, fluorescencias IRDye 680 y 800CW. Los puntos cuánticos, con su fotoestabilidad y emisiones brillantes, han generado un gran interés; sin embargo, su tamaño impide una eliminación eficiente de los sistemas circulatorio y renal, al tiempo que exhiben toxicidad a largo plazo. [ cita requerida ] .
Varios estudios han demostrado el uso de sondas marcadas con colorante infrarrojo en imágenes ópticas.
Es importante tener en cuenta que la adición de una sonda NIR a cualquier vector puede alterar la biocompatibilidad y la biodistribución del mismo. Por lo tanto, no se puede asumir de manera inequívoca que el vector conjugado se comportará de manera similar a la forma nativa.
El desarrollo de la tomografía computarizada en la década de 1970 permitió mapear la distribución de los radioisótopos en el órgano o tejido, y condujo a la técnica ahora llamada tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT).
El agente de imagen utilizado en SPECT emite rayos gamma, a diferencia de los emisores de positrones (como18
F ) que se utiliza en PET. Existe una variedad de radiotrazadores (como99 millones
T.c. ,111
En ,123I ,201
Tl ) que se puede utilizar, dependiendo de la aplicación específica.
Xenón (133
El gas Xe ) es uno de esos radiotrazadores. Se ha demostrado que es valioso para estudios de inhalación de diagnóstico para la evaluación de la función pulmonar; para obtener imágenes de los pulmones; y también puede usarse para evaluar el flujo sanguíneo cerebral recuperado. La detección de este gas se realiza mediante una cámara gamma , que es un detector de centelleo que consta de un colimador, un cristal de NaI y un conjunto de tubos fotomultiplicadores.
Al girar la gammacámara alrededor del paciente, se puede obtener una imagen tridimensional de la distribución del radiotrazador empleando retroproyección filtrada u otras técnicas tomográficas. Los radioisótopos utilizados en la SPECT tienen vidas medias relativamente largas (de unas pocas horas a unos pocos días), lo que hace que sean fáciles de producir y relativamente baratos. Esto representa la principal ventaja de la SPECT como técnica de imagen molecular, ya que es significativamente más barata que la PET o la fMRI. Sin embargo, carece de una buena resolución espacial (es decir, dónde está exactamente la partícula) o temporal (es decir, si la señal del agente de contraste se produjo en este milisegundo o en ese milisegundo). Además, debido a la radiactividad del agente de contraste, existen aspectos de seguridad relacionados con la administración de radioisótopos al sujeto, especialmente para estudios en serie.
La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de obtención de imágenes de medicina nuclear que produce una imagen tridimensional o una fotografía de los procesos funcionales del cuerpo. La teoría detrás de la PET es bastante simple. Primero se marca una molécula con un isótopo emisor de positrones. Estos positrones se aniquilan con electrones cercanos, emitiendo dos fotones de 511 keV, dirigidos a 180 grados de distancia en direcciones opuestas. Luego, estos fotones son detectados por el escáner, que puede estimar la densidad de aniquilaciones de positrones en un área específica. Cuando se han producido suficientes interacciones y aniquilaciones, se puede medir la densidad de la molécula original en esa área. Los isótopos típicos incluyen11
C ,13
norte ,15
Oh ,18
Yo ,64
Cu ,62
Cu ,124
I ,76
Es ,82
Rb ,89
Zr y68
Ga , con18
La F es la técnica más utilizada en la práctica clínica. Una de las principales desventajas de la PET es que la mayoría de las sondas deben fabricarse con un ciclotrón. La mayoría de estas sondas también tienen una vida media medida en horas, lo que obliga a que el ciclotrón esté in situ. Estos factores pueden hacer que la PET sea prohibitivamente cara. Sin embargo, la obtención de imágenes PET tiene muchas ventajas. La primera y más importante es su sensibilidad: un escáner PET típico puede detectar concentraciones entre 10 −11 mol/L y 10 −12 mol/L.