La obtención de imágenes preclínicas es la visualización de animales vivos con fines de investigación, [1] como el desarrollo de fármacos. Las modalidades de obtención de imágenes han sido durante mucho tiempo cruciales para el investigador a la hora de observar cambios, ya sea a nivel de órganos, tejidos, células o moleculares, en animales que responden a cambios fisiológicos o ambientales. Las modalidades de obtención de imágenes que son no invasivas e in vivo se han vuelto especialmente importantes para estudiar modelos animales de forma longitudinal. En términos generales, estos sistemas de obtención de imágenes se pueden clasificar en técnicas de obtención de imágenes principalmente morfológicas/anatómicas y principalmente moleculares. [2] Las técnicas como la microultrasonido de alta frecuencia, la resonancia magnética (IRM) y la tomografía computarizada (TC) se utilizan habitualmente para la obtención de imágenes anatómicas, mientras que la obtención de imágenes ópticas ( fluorescencia y bioluminiscencia ), la tomografía por emisión de positrones (PET) y la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) se utilizan habitualmente para visualizaciones moleculares. [2]
En la actualidad, muchos fabricantes ofrecen sistemas multimodales que combinan las ventajas de las modalidades anatómicas, como la TC y la RM, con las imágenes funcionales de la PET y la SPECT. Al igual que en el mercado clínico, las combinaciones habituales son la SPECT/TC , la PET/TC y la PET/RM . [ cita requerida ]
Principio: Los microultrasonidos de alta frecuencia funcionan mediante la generación de ondas sonoras inofensivas desde transductores hacia sistemas vivos. A medida que las ondas sonoras se propagan a través del tejido, se reflejan y son captadas por el transductor, y luego pueden traducirse en imágenes 2D y 3D. Los microultrasonidos están desarrollados específicamente para la investigación con animales pequeños, con frecuencias que van desde los 15 MHz hasta los 80 MHz. [3]
Puntos fuertes: La microultrasonografía es la única modalidad de obtención de imágenes en tiempo real per se, ya que captura datos a una velocidad de hasta 1000 fotogramas por segundo. Esto significa que no solo es más que capaz de visualizar el flujo sanguíneo in vivo , sino que incluso se puede utilizar para estudiar eventos de alta velocidad, como el flujo sanguíneo y la función cardíaca en ratones. Los sistemas de microultrasonido son portátiles, no requieren instalaciones dedicadas y son extremadamente rentables en comparación con otros sistemas. Tampoco corre el riesgo de confundir los resultados debido a los efectos secundarios de la radiación. Actualmente, es posible obtener imágenes de hasta 30 μm, [3] lo que permite la visualización de vasculatura diminuta en la angiogénesis del cáncer . Para obtener imágenes de capilares, esta resolución se puede aumentar aún más a 3-5 μm con la inyección de agentes de contraste de microburbujas. Además, las microburbujas se pueden conjugar con marcadores como los receptores de glucoproteína IIb/IIIa activada (GPIIb/IIIa) en plaquetas y coágulos, [4] la integrina α v β 3 , así como los receptores del factor de crecimiento endotelial vascular (VEGFR), para proporcionar visualización molecular. Por lo tanto, es capaz de una amplia gama de aplicaciones que solo se pueden lograr a través de modalidades de imágenes duales como micro-MRI/PET. Los dispositivos de micro-ultrasonido tienen propiedades únicas relacionadas con una interfaz de investigación de ultrasonido , donde los usuarios de estos dispositivos obtienen acceso a datos sin procesar que normalmente no están disponibles en la mayoría de los sistemas de ultrasonido comerciales (micro y no micro).
Debilidades: A diferencia de la micro-MRI, la micro-CT, la micro-PET y la micro-SPECT, la micro-ultrasonido tiene una profundidad de penetración limitada. A medida que aumenta la frecuencia (y también la resolución), la profundidad máxima de obtención de imágenes disminuye. Normalmente, la micro-ultrasonido puede obtener imágenes de tejido de unos 3 cm por debajo de la piel, y esto es más que suficiente para animales pequeños como los ratones. El rendimiento de la obtención de imágenes por ultrasonidos suele considerarse vinculado a la experiencia y las habilidades del operador. Sin embargo, esto está cambiando rápidamente a medida que se diseñan sistemas para convertirlos en dispositivos fáciles de usar que producen resultados altamente reproducibles. Otra posible desventaja de la micro-ultrasonido es que los agentes de contraste de microburbujas dirigidos no pueden difundirse fuera de la vasculatura, incluso en tumores. Sin embargo, esto puede ser realmente ventajoso para aplicaciones como la perfusión tumoral y la obtención de imágenes de angiogénesis.
Investigación del cáncer: Los avances en microultrasonido han podido ayudar a la investigación del cáncer de muchas maneras. Por ejemplo, los investigadores pueden cuantificar fácilmente el tamaño del tumor en dos y tres dimensiones. No sólo eso, la velocidad y dirección del flujo sanguíneo también se pueden observar a través del ultrasonido. Además, el microultrasonido se puede utilizar para detectar y cuantificar la cardiotoxicidad en respuesta a la terapia antitumoral, ya que es la única modalidad de imagen que tiene adquisición de imágenes instantánea. Debido a su naturaleza en tiempo real, el microultrasonido también puede guiar microinyecciones de medicamentos, células madre, etc. en animales pequeños sin la necesidad de una intervención quirúrgica. Se pueden inyectar agentes de contraste en el animal para realizar la perfusión tumoral en tiempo real y la obtención de imágenes moleculares dirigidas y la cuantificación de biomarcadores . Recientemente [ ¿cuándo? ] , el microultrasonido incluso ha demostrado ser un método eficaz de administración de genes. [5]
A diferencia de los dispositivos de microultrasonido convencionales con una sensibilidad limitada al flujo sanguíneo, se ha demostrado que los escáneres de ultrasonidos ultrarrápidos en tiempo real dedicados con la secuencia y el procesamiento adecuados pueden capturar cambios hemodinámicos muy sutiles en el cerebro de animales pequeños en tiempo real. Estos datos se pueden utilizar para inferir la actividad neuronal a través del acoplamiento neurovascular. La técnica de imágenes por ultrasonido funcional (fUS) puede considerarse un análogo de la resonancia magnética funcional (fMRI). La fUS se puede utilizar para la angiografía cerebral, el mapeo de la actividad funcional cerebral y la conectividad funcional cerebral de ratones a primates, incluidos animales despiertos.
Principio: La tomografía fotoacústica (PAT) funciona a partir del fenómeno natural de los tejidos de expandirse termoelásticamente cuando se los estimula con ondas electromagnéticas aplicadas externamente, como pulsos láser cortos. Esto hace que se emitan ondas ultrasónicas desde estos tejidos, que luego pueden ser captadas por un transductor ultrasónico. La expansión termoelástica y la onda ultrasónica resultante dependen de la longitud de onda de la luz utilizada. La PAT permite una total no invasividad al obtener imágenes del animal. Esto es especialmente importante cuando se trabaja con modelos de tumores cerebrales, [6] que son notoriamente difíciles de estudiar.
Puntos fuertes: La micro-PAT puede describirse como una modalidad de obtención de imágenes que se puede aplicar en una amplia variedad de funciones. Combina la alta sensibilidad de las imágenes ópticas con la alta resolución espacial de las imágenes por ultrasonido. Por este motivo, no solo puede obtener imágenes de la estructura, sino también separar entre diferentes tipos de tejidos, estudiar las respuestas hemodinámicas e incluso rastrear agentes de contraste molecular conjugados con moléculas biológicas específicas. Además, no es invasiva y se puede realizar rápidamente, lo que la hace ideal para estudios longitudinales del mismo animal.
Debilidades: Debido a que la micro-PAT todavía está limitada por la fuerza de penetración de la luz y el sonido, no tiene una profundidad de penetración ilimitada. Sin embargo, es suficiente para atravesar el cráneo de la rata y obtener imágenes hasta unos pocos centímetros hacia abajo, lo que es más que suficiente para la mayoría de las investigaciones con animales. Otro inconveniente de la micro-PAT es que depende de la absorbancia óptica del tejido para recibir retroalimentación y, por lo tanto, el tejido poco vascularizado como la próstata es difícil de visualizar. [7] Hasta la fecha, hay 3 sistemas disponibles comercialmente en el mercado, a saber, de VisualSonics, iThera y Endra, siendo este último el único que realiza la adquisición de imágenes 3D reales.
Investigación sobre el cáncer: El estudio de los cánceres cerebrales se ha visto obstaculizado significativamente por la falta de una modalidad de imagen fácil para estudiar animales in vivo . Para ello, a menudo se necesita una craneotomía , además de horas de anestesia, ventilación mecánica, etc., lo que altera significativamente los parámetros experimentales. Por esta razón, muchos investigadores se han contentado con sacrificar animales en diferentes puntos temporales y estudiar el tejido cerebral con métodos histológicos tradicionales. En comparación con un estudio longitudinal in vivo , se necesitan muchos más animales para obtener resultados significativos, y la sensibilidad de todo el experimento se pone en duda. Como se dijo anteriormente, el problema no es la renuencia de los investigadores a utilizar modalidades de imagen in vivo , sino más bien la falta de las adecuadas. Por ejemplo, aunque la imagen óptica proporciona datos funcionales rápidos y análisis de oxi y desoxihemoglobina, [ 7] requiere una craneotomía y solo proporciona unos pocos cientos de micrómetros de profundidad de penetración. Además, se centra en una zona del cerebro, mientras que la investigación ha dejado aparentemente claro que la función cerebral está interrelacionada en su conjunto. Por otra parte, la micro - fMRI es extremadamente cara y ofrece una resolución y tiempos de adquisición de imágenes pésimos cuando se escanea todo el cerebro. También proporciona poca información sobre la vasculatura. Se ha demostrado que la micro-PAT es una mejora significativa con respecto a los dispositivos de neuroimagen in vivo existentes . Es rápida, no invasiva y proporciona una gran cantidad de salida de datos. La micro-PAT puede obtener imágenes del cerebro con alta resolución espacial, detectar agentes de contraste moleculares dirigidos, cuantificar simultáneamente parámetros funcionales como SO2 y HbT y proporcionar información complementaria de imágenes funcionales y moleculares que sería extremadamente útil en la cuantificación de tumores y el análisis terapéutico centrado en células. [6]
Principio: La resonancia magnética (RM) aprovecha las alineaciones magnéticas nucleares de diferentes átomos dentro de un campo magnético para generar imágenes. Las máquinas de RMN constan de grandes imanes que generan campos magnéticos alrededor del objetivo de análisis. [8] Estos campos magnéticos hacen que los átomos con un número cuántico de espín distinto de cero, como el hidrógeno, el gadolinio y el manganeso, se alineen con el dipolo magnético a lo largo del campo magnético. Se aplica una señal de radiofrecuencia (RF) que coincide estrechamente con la frecuencia de precesión de Larmor de los núcleos objetivo, lo que perturba la alineación de los núcleos con el campo magnético. Después del pulso de RF, los núcleos se relajan y emiten una señal de RF característica, que es capturada por la máquina. Con estos datos, una computadora generará una imagen del sujeto en función de las características de resonancia de diferentes tipos de tejido.
Desde 2012, el uso de tecnología de imanes sin criógeno ha reducido en gran medida los requisitos de infraestructura y la dependencia de la disponibilidad de refrigerantes criogénicos cada vez más difíciles de obtener. [9]
Ventajas: La ventaja de la micro-MRI es que tiene una buena resolución espacial, de hasta 100 μm e incluso 25 μm en campos magnéticos de muy alta intensidad. También tiene una excelente resolución de contraste para distinguir entre tejido normal y patológico. La micro-MRI se puede utilizar en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas las imágenes anatómicas, funcionales y moleculares. Además, dado que el mecanismo de la micro-MRI se basa en un campo magnético, es mucho más segura en comparación con las modalidades de imágenes basadas en radiación, como la micro-CT y la micro-PET.
Debilidades: Una de las mayores desventajas de la micro-MRI es su costo. Dependiendo de la fuerza magnética (que determina la resolución), los sistemas utilizados para la obtención de imágenes de animales entre 1,5 y 14 teslas en densidad de flujo magnético varían de $1 millón a más de $6 millones, y la mayoría de los sistemas cuestan alrededor de $2 millones. Además, el tiempo de adquisición de la imagen es extremadamente largo, abarcando minutos e incluso horas. Esto puede afectar negativamente a los animales que están anestesiados durante largos períodos de tiempo. Además, la micro-MRI generalmente captura una instantánea del sujeto en el tiempo y, por lo tanto, no puede estudiar bien el flujo sanguíneo y otros procesos en tiempo real. Incluso con los avances recientes en la micro-MRI funcional de alta potencia, todavía hay un tiempo de retraso de alrededor de 10 a 15 segundos para alcanzar la intensidad máxima de la señal, [10] lo que dificulta el acceso a información importante como la cuantificación de la velocidad del flujo sanguíneo.
Investigación sobre el cáncer: la micro-MRI se utiliza a menudo para obtener imágenes del cerebro debido a su capacidad de penetrar el cráneo de forma no invasiva. Debido a su alta resolución, la micro-MRI también puede detectar tumores pequeños en etapa temprana. Las nanopartículas paramagnéticas unidas a anticuerpos también se pueden utilizar para aumentar la resolución y visualizar la expresión molecular en el sistema. [2]
Investigación sobre accidentes cerebrovasculares y lesiones cerebrales traumáticas: la micro-MRI se utiliza a menudo para obtener imágenes anatómicas en la investigación de accidentes cerebrovasculares y lesiones cerebrales traumáticas. La obtención de imágenes moleculares es un nuevo campo de investigación. [11] [12]
Principio: La tomografía computarizada (TC) funciona mediante rayos X que se emiten desde una fuente de radiación enfocada que gira alrededor del sujeto de prueba colocado en el medio del escáner de TC. [2] Los rayos X se atenúan a diferentes velocidades según la densidad del tejido que atraviesan y luego son captados por sensores en el extremo opuesto del escáner de TC desde la fuente de emisión. A diferencia de los rayos X 2D tradicionales, dado que la fuente de emisión en un escáner de TC gira alrededor del animal, la computadora puede combinar una serie de imágenes 2D en estructuras 3D.
Ventajas: La micro-TC puede tener una excelente resolución espacial, que puede ser de hasta 6 μm cuando se combina con agentes de contraste. Sin embargo, la dosis de radiación necesaria para lograr esta resolución es letal para animales pequeños, y una resolución espacial de 50 μm es una mejor representación de los límites de la micro-TC. También es decente en términos de tiempos de adquisición de imágenes, que pueden ser del orden de minutos para animales pequeños. [8] Además, la micro-TC es excelente para la obtención de imágenes óseas.
Debilidades: Una de las principales desventajas de la micro-TC es la dosis de radiación que se aplica a los animales de prueba. Aunque por lo general no es letal, la radiación es lo suficientemente alta como para afectar el sistema inmunológico y otras vías biológicas, lo que en última instancia puede cambiar los resultados experimentales. [13] Además, la radiación puede afectar el tamaño del tumor en los modelos de cáncer, ya que imita la radioterapia , y por lo tanto, podrían necesitarse grupos de control adicionales para tener en cuenta esta posible variable de confusión . Además, la resolución de contraste de la micro-TC es bastante pobre y, por lo tanto, no es adecuada para distinguir entre tipos de tejidos similares, como tejidos normales y enfermos.
Investigación sobre el cáncer: la micro-TC se utiliza con mayor frecuencia como sistema de obtención de imágenes anatómicas en la investigación con animales debido a los beneficios que se mencionaron anteriormente. También se pueden inyectar agentes de contraste para estudiar el flujo sanguíneo. Sin embargo, los agentes de contraste para la micro-TC, como el yodo, son difíciles de conjugar con dianas moleculares1, por lo que rara vez se utilizan en técnicas de obtención de imágenes moleculares. Por ello, la micro-TC se combina a menudo con la micro-PET/SPECT para la obtención de imágenes anatómicas y moleculares en la investigación. [14]
Principio: La tomografía por emisión de positrones (PET) genera imágenes de sistemas vivos mediante el registro de rayos gamma de alta energía emitidos desde el interior del sujeto. [15] La fuente de la radiación proviene de moléculas biológicas unidas a la emisión de positrones, como la 18F-FDG (fludesoxiglucosa), que se inyecta en el sujeto de prueba. A medida que los radioisótopos se desintegran, emiten positrones que se aniquilan con los electrones que se encuentran de forma natural en el cuerpo. Esto produce 2 rayos gamma a una distancia de aproximadamente 180°, que son captados por sensores en extremos opuestos de la máquina PET. Esto permite localizar eventos de emisión individuales dentro del cuerpo y reconstruir el conjunto de datos para producir imágenes.
Ventajas: La ventaja de la micro-PET es que, como la fuente de radiación se encuentra dentro del animal, ofrece una profundidad de obtención de imágenes prácticamente ilimitada. El tiempo de adquisición también es razonablemente rápido, normalmente de unos minutos. Dado que los distintos tejidos tienen diferentes tasas de captación de sondas moleculares radiomarcadas, la micro-PET también es extremadamente sensible a los detalles moleculares y, por lo tanto, solo se necesitan nanogramos de sondas moleculares para obtener imágenes. [15]
Debilidades: Los isótopos radiactivos utilizados en la micro-PET tienen vidas medias muy cortas (110 min para 18F-FDG). Para generar estos isótopos, se necesitan ciclotrones en laboratorios de radioquímica en las proximidades de las máquinas de micro-PET. Además, la radiación puede afectar el tamaño del tumor en los modelos de cáncer, ya que imita la radioterapia, y por lo tanto, podrían necesitarse grupos de control adicionales para tener en cuenta esta posible variable de confusión. La micro-PET también tiene una resolución espacial deficiente de alrededor de 1 mm. Para realizar una investigación completa que incluya no solo imágenes moleculares sino también imágenes anatómicas, la micro-PET debe usarse junto con micro-MRI o micro-CT, lo que reduce aún más la accesibilidad para muchos investigadores debido al alto costo y las instalaciones especializadas.
Investigación sobre el cáncer: la PET se utiliza mucho en oncología clínica, por lo que los resultados de la investigación con animales pequeños se pueden traducir fácilmente. Debido a la forma en que los tejidos metabolizan la 18F-FDG, produce un marcado radiactivo intenso en la mayoría de los cánceres, como los tumores cerebrales y hepáticos. Casi cualquier compuesto biológico se puede rastrear mediante micro-PET, siempre que se pueda conjugar con un radioisótopo, lo que lo hace adecuado para estudiar nuevas vías.
Principio: De manera similar a la PET, la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) también captura imágenes de sistemas vivos a través de rayos gamma emitidos desde el interior del sujeto. A diferencia de la PET, los radioisótopos utilizados en la SPECT (como el tecnecio-99m ) emiten rayos gamma directamente [8] , en lugar de hacerlo a partir de eventos de aniquilación de un positrón y un electrón. Estos rayos son luego capturados por una cámara gamma rotada alrededor del sujeto y posteriormente convertidos en imágenes.
Puntos fuertes: La ventaja de este enfoque es que los isótopos nucleares están mucho más disponibles, son más baratos y tienen vidas medias más largas en comparación con los isótopos micro-PET. Al igual que el micro-PET, el micro-SPECT también tiene una muy buena sensibilidad y solo se necesitan nanogramos de sondas moleculares. [15] Además, al utilizar radioisótopos de diferente energía conjugados con diferentes objetivos moleculares, el micro-SPECT tiene la ventaja sobre el micro-PET de poder obtener imágenes de varios eventos moleculares simultáneamente. Al mismo tiempo, a diferencia del micro-PET, el micro-SPECT puede alcanzar una resolución espacial muy alta explorando el principio de colimación de orificios (Beekman et al.) [16] En este enfoque, al colocar el objeto (por ejemplo, un roedor) cerca de la abertura del orificio, se puede alcanzar un alto aumento de su proyección en la superficie del detector y compensar eficazmente la resolución intrínseca del cristal.
Debilidades: La micro-SPECT todavía tiene una radiación considerable que puede afectar las vías fisiológicas e inmunológicas en los animales pequeños. Además, la radiación puede afectar el tamaño del tumor en los modelos de cáncer, ya que imita la radioterapia , y por lo tanto, podrían necesitarse grupos de control adicionales para tener en cuenta esta posible variable de confusión . La micro-SPECT también puede ser hasta dos órdenes de magnitud menos sensible que la PET. [2] Además, el marcado de compuestos con isótopos de micro-SPECT requiere molaridades quelantes que pueden alterar sus propiedades bioquímicas o físicas.
Investigación sobre el cáncer: la micro-SPECT se utiliza a menudo en la investigación sobre el cáncer para obtener imágenes moleculares de ligandos específicos del cáncer. También se puede utilizar para obtener imágenes del cerebro debido a su poder de penetración. Dado que los radioisótopos más nuevos implican nanopartículas como las nanopartículas de óxido de hierro marcadas con 99mTC , podrían combinarse potencialmente con sistemas de administración de fármacos en el futuro. [14]
Los siguientes sistemas SPECT de animales pequeños se han desarrollado en diferentes grupos y están disponibles comercialmente:
Principio: La tecnología PET-MR para la obtención de imágenes de animales pequeños supone un gran avance en la tecnología de obtención de imágenes funcionales de alto rendimiento, en particular cuando se combina con un sistema de resonancia magnética sin criógeno. Un sistema PET-MR proporciona un contraste de tejidos blandos superior y una capacidad de obtención de imágenes moleculares para una gran visualización, cuantificación y estudios translacionales. Un sistema preclínico PET-MR se puede utilizar para la obtención simultánea de imágenes multimodales. El uso de la tecnología de imanes sin criógeno también reduce en gran medida los requisitos de infraestructura y la dependencia de la disponibilidad de refrigerantes criogénicos, cada vez más difíciles de obtener.
Ventajas: Los investigadores pueden utilizar la PET o la RMN de forma independiente o utilizar imágenes multimodales. Las técnicas PET y RMN se pueden llevar a cabo de forma independiente (utilizando los sistemas PET o RMN como dispositivos independientes), en secuencia (con un PET acoplable) delante del orificio del sistema RMN o simultáneamente (con el PET insertado dentro del imán RMN). Esto proporciona una imagen mucho más precisa y con mucha más rapidez. Al operar los sistemas PET y RMN simultáneamente, se puede aumentar el flujo de trabajo dentro de un laboratorio. El sistema MR-PET de MR Solutions incorpora la última tecnología en fotomultiplicadores de silicio (SiPM), lo que reduce significativamente el tamaño del sistema y evita los problemas de utilizar fotomultiplicadores u otros tipos de detectores heredados dentro del campo magnético del MRI. Las características de rendimiento de SiPM son similares a las de un PMT convencional, pero con las ventajas prácticas de la tecnología de estado sólido.
Debilidades: Como se trata de una combinación de sistemas de obtención de imágenes, las debilidades asociadas con cada modalidad de obtención de imágenes se compensan en gran medida con las demás. En la PET-MR secuencial, el operador debe dejar un poco de tiempo para transferir al sujeto entre las posiciones de adquisición PET y RM. Esto no ocurre en la PET-MR simultánea. Sin embargo, en los sistemas PET-MR secuenciales, el anillo PET en sí es fácil de colocar o quitar y transferir entre salas para uso independiente. El investigador necesita conocimientos suficientes para interpretar imágenes y datos de los dos sistemas diferentes y necesitaría capacitación para ello.
Investigación sobre el cáncer: la combinación de imágenes por RM y PET es mucho más eficiente en términos de tiempo que el uso de una técnica a la vez. Las imágenes de las dos modalidades también se pueden registrar con mucha más precisión, ya que el retraso entre las modalidades es limitado para los sistemas PET-MR secuenciales y prácticamente inexistente para los sistemas simultáneos. Esto significa que hay poca o ninguna posibilidad de movimiento macroscópico del sujeto entre adquisiciones.
Principio: La nueva SPECT-MR para la obtención de imágenes de animales pequeños se basa en la tecnología de múltiples orificios, lo que permite una alta resolución y una alta sensibilidad. Cuando se combina con la resonancia magnética sin criógeno, la tecnología combinada SPECT-MR aumenta drásticamente el flujo de trabajo en los laboratorios de investigación, al tiempo que reduce los requisitos de infraestructura de laboratorio y la vulnerabilidad al suministro de criógeno. [23]
Ventajas: Los centros de investigación ya no necesitan comprar varios sistemas y pueden elegir entre diferentes configuraciones de obtención de imágenes. El equipo SPECT o MRI se puede utilizar como un dispositivo independiente en un banco de trabajo, o se pueden obtener imágenes secuenciales colocando el módulo SPECT en el sistema MRI. El animal pasa automáticamente de una modalidad a la otra a lo largo del mismo eje. Al insertar un módulo SPECT dentro del imán MRI, es posible obtener datos de SPECT y MRI de forma simultánea. El flujo de trabajo del laboratorio se puede aumentar adquiriendo múltiples modalidades del mismo sujeto en una sesión o haciendo funcionar los sistemas SPECT y MRI por separado, obteniendo imágenes de diferentes sujetos al mismo tiempo. SPECT-MR está disponible en diferentes configuraciones con diferentes campos de visión transaxial, lo que permite obtener imágenes desde ratones hasta ratas.
Debilidades: Como se trata de una combinación de sistemas de obtención de imágenes, las debilidades asociadas con una u otra modalidad de obtención de imágenes ya no son aplicables. En la SPECT-MR secuencial, el operador debe dejar un poco de tiempo para transferir al sujeto entre las posiciones de adquisición de SPECT y RM. Esto no ocurre en la SPECT-MR simultánea. Sin embargo, en la SPECT-MR secuencial, cuando el módulo SPECT está acoplado, es fácil conectarlo o desconectarlo y transferirlo entre salas. El investigador debe tener conocimientos suficientes para interpretar dos salidas de sistemas diferentes y necesitaría capacitación para esto.
Investigación sobre el cáncer: la combinación de la resonancia magnética, que se utiliza como técnica de obtención de imágenes no invasiva, y la SPECT proporciona resultados mucho más rápidos en comparación con el uso de una técnica a la vez. Las imágenes de las dos modalidades también se pueden registrar con mucha más precisión, ya que el retraso temporal entre las modalidades es limitado para los sistemas secuenciales SPECT-MR y prácticamente inexistente para los sistemas simultáneos. Esto significa que hay poca o ninguna posibilidad de movimiento macroscópico del sujeto entre adquisiciones. Con el funcionamiento independiente y separado de los sistemas de resonancia magnética y SPECT, el flujo de trabajo se puede aumentar fácilmente.
Principio: La imagen óptica se divide en fluorescencia y bioluminiscencia .
Ventajas: La obtención de imágenes ópticas es rápida y sencilla de realizar, y es relativamente económica en comparación con muchas de las otras modalidades de obtención de imágenes. Además, es extremadamente sensible, pudiendo detectar eventos moleculares en el rango de 10–15 M. Además, dado que la obtención de imágenes por bioluminiscencia no requiere la excitación del indicador, sino más bien la reacción de catálisis en sí, es indicativa del proceso biológico/molecular y casi no tiene ruido de fondo. [8]
Debilidades: Una de las principales debilidades de la obtención de imágenes ópticas ha sido la profundidad de penetración, que, en el caso de los colorantes visibles, es de solo unos pocos milímetros. La fluorescencia en el infrarrojo cercano ha permitido alcanzar profundidades de varios centímetros. [24] [25] Dado que la luz en la región infrarroja tiene la mejor profundidad de penetración, se han diseñado específicamente numerosos fluorocromos para excitarlos de forma óptima en esta zona. [26] En la obtención de imágenes ópticas, la fluorescencia tiene una resolución limitada a la difracción de la luz de ~270 nm y la bioluminiscencia tiene una resolución de ~1–10 mm, dependiendo del tiempo de adquisición, en comparación con la resonancia magnética a 100 μm y la microultrasonido a 30 μm.
Investigación sobre el cáncer: debido a la poca profundidad de penetración, las imágenes ópticas se suelen utilizar solo con fines moleculares y no para obtener imágenes anatómicas. Debido a la poca profundidad de penetración en longitudes de onda visibles, se utilizan para modelos subcutáneos de cáncer; sin embargo, la fluorescencia del infrarrojo cercano ha permitido que ahora sean factibles los modelos ortotópicos. [28] A menudo, la investigación de la expresión de proteínas específicas en el cáncer y los efectos de los fármacos sobre estas expresiones se estudian in vivo con genes reporteros emisores de luz modificados genéticamente. [2] Esto también permite la identificación de mecanismos para la selección de genes en tejidos en el cáncer y más allá. [29]
Principio: La química del dioxaborolano permite el marcaje con fluoruro radiactivo ( 18 F ) de anticuerpos [30] o glóbulos rojos , [31] lo que permite la tomografía por emisión de positrones (PET) y la obtención de imágenes por fluorescencia de cáncer [32] [33] y hemorragias , [31] respectivamente. Un sistema de reportero genético, derivado de humanos, emisor de positrones y fluorescente (HD-GPF) utiliza una proteína humana, PSMA y no inmunogénica, y una pequeña molécula que emite positrones (boro unido a 18 F ) y es fluorescente para la PET de modalidad dual y la obtención de imágenes por fluorescencia de células modificadas del genoma, por ejemplo, cáncer , CRISPR/Cas9 o células T CAR , en un ratón completo. [32] La combinación de estas modalidades de obtención de imágenes fue predicha por el Premio Nobel de 2008, Roger Y. Tsien , para compensar las debilidades de las técnicas de obtención de imágenes individuales. [34]
Ventajas: combina las ventajas de la PET y la obtención de imágenes ópticas , la fluorescencia . La PET permite obtener imágenes anatómicas para la ubicación de células marcadas en animales o seres humanos enteros porque el radiomarcador , 18F , se encuentra dentro del animal o del ser humano con una profundidad de penetración casi ilimitada. El 18F tiene una vida media de 110 min y limita la exposición radiactiva del animal o del ser humano. Las imágenes ópticas permiten una mayor resolución con una resolución subcelular de ~270 nm, o el límite de difracción de la luz, para permitir la obtención de imágenes de células individuales y la localización de la ubicación celular en la membrana celular, los endosomas, el citoplasma o los núcleos (consulte la figura de células HeLa multicolores). La técnica puede etiquetar moléculas pequeñas, [32] [35] [36] anticuerpos , [30] células ( cáncer [30] [32] y glóbulos rojos [31] ), líquido cefalorraquídeo , [37] hemorragias , [31] extirpación de cáncer de próstata , [32] [38] y células editadas del genoma que expresan una proteína humana codificada genéticamente, PSMA , para obtener imágenes de células T CAR y editadas con CRISPR/Cas9 . [32]
Debilidades: La combinación de PET y obtención de imágenes ópticas permite obtener dos agentes de obtención de imágenes que compensan la debilidad de los otros. El 18 F tiene una vida media de 110 min y la señal PET no es permanente. Las pequeñas moléculas fluorescentes permiten obtener una señal permanente cuando se almacenan en la oscuridad y no se fotoblanquean . Actualmente, no existe un solo instrumento que pueda obtener imágenes de la señal PET y de la fluorescencia con resolución subcelular (consulte la Figura de células HeLa multicolores). Se requieren varios instrumentos para obtener imágenes PET, fluorescencia de órganos completos y fluorescencia de células individuales con resolución subcelular.
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