thumb|350 px|Terapia de imagen molecular. Las imágenes moleculares son la formación de imágenes a nivel molecular que se origina del campo de la radio-farmacología debido a la necesidad de un mejor entendimiento de los caminos (o trayectorias) moleculares fundamentales en los organismos de una manera no invasiva.
General La formación de imágenes a nivel molecular se genera al principio del siglo 21 como una disciplina entre la Biología molecular y la formación de imágenes in vivo. Permite la visualización de la función celular y el seguimiento de los procesos moleculares en organismos vivos sin perturbarlos. Las diversas posibilidades en este campo son aplicables al diagnóstico de enfermedades como el Cáncer, enfermedades neurológicas y cardiovasculares. Esta técnica mejora el diagnóstico y tratamiento temprano dichas enfermedades y a su vez permite la optimización de la terapia farmacológica y/o la terapia génica a implementar. La formación de imágenes a nivel funcional y molecular ha tomado una nueva dirección desde la descripción del genoma humano. Nuevas investigaciones, incluyendo a nivel industrial, ha incrementado a nivel científico la demanda de este método. Se han estado generando programas para esto.
La formación de imágenes moleculares se diferencia de la formación de imágenes tradicional. En la formación de imágenes moleculares se usan biomarcadores que son usados para generar la imagen de objetivos particulares o trayectorias. En medicina un biomarcador es el término que se usa para referirse a una proteína de una cantidad mesurada en la sangre cuya concentración refleja la severidad o presencia de cierto estado de una enfermedad. Puede ser también introducido en un organismo para examinar la función de un órgano u otros aspectos relacionados con la salud, puede ser un isótopo radioactivo que permita localizar el problema a tratar. Los biomarcadores interactúan químicamente con su alrededor y conlleva a alterar la imagen a formar de acuerdo con los cambios moleculares que ocurren en el área de interés a analizar. Este proceso es muy diferente de métodos previos de formación de imágenes donde la formación de esta a nivel molecular difiere de las otras en calidad como densidad o contenido de agua. Esta habilidad para formar imágenes de cambios a nivel molecular genera una gran variedad de posibilidades a nivel médico como la ya mencionada detección temprana de enfermedades y para desarrollo farmacéutico.
Para alcanzar el éxito en la obtención de imágenes moleculares, las sondas deben de cumplir con ciertas características, como la de poseer alta afinidad y especificidad por su blanco molecular, y disponer de la capacidad de sobreponerse a barreras biológicas para alcanzarlo. A su vez, los sistemas de detección deben de ser lo suficientemente sensibles y rápidos para permitir la obtención de imágenes de una alta resolución.
Además, las imágenes moleculares permiten estudios cuantitativos impartiendo un mayor grado de objetividad en el estudio de estas áreas. Una tecnología emergente es MALDI-TOF que es la formación de imágenes a nivel molecular por medio de la Espectrometría de masas.
Diferentes áreas de investigación están siendo conducidas en el campo de la formación de imágenes moleculares. La mayoría de la investigación está centrada en detectar lo que es conocido como un estado de pre-enfermedad o estados moleculares que ocurren antes de que síntomas usuales de una enfermedad. Otro camino que se ha tomado es el de la formación de imágenes de la expresión de genes y el desarrollo de novedosos biomarcadores. Organizaciones como la Sociedad de Medicina Nuclear y el MICoE (Molecular Imaging Center of Excellence) han generado apoyo en el desarrollo de este campo. En Europa diferentes organizaciones también trabajan en este nuevo campo para generar profesionales.
Recientemente el término "imagen molecular" se ha aplicado a una gran variedad de técnicas de microscopia y nanoscopía entre las cuales están microscopia-TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence), nanoscopía-STED (STimulated Emission Depletion) y Microscopia de Fuerza Atómica.
Modalidades de Formación de Imágenes Existen diferentes modalidades que sirven para la formación de imágenes moleculares de una manera no invasiva.
Modalidades No Radiactivas Son técnicas en las que no se utiliza material radiactivo para la formación de las imágenes moleculares. Dentro de estas, se encuentran las imágenes por resonancia magnética, las imágenes ópticas y las imágenes por ultrasonido.
Imagen por Resonancia Magnética
La imagen por resonancia magnética (MRI) se basa en los principios de la técnica espectroscópica de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), sobre los procesos de absorción y emisión de energía dentro del rango de la radiofrecuencia en el espectro electromagnético.
Tiene la ventaja de permitir la obtención de una alta resolución espacial y es muy útil para imágenes morfológicas y funcionales. Pero la MRI también tiene desventajas, ya que los Agentes Convencionales de Contraste (ej: quelatos de galodinio) posee una sensibilidad de alrededor de 10-3 mol/L a 10-5 mol/L, la cual comparado con otros tipos de formación de imágenes, puede ser muy limitante. Existen mejoras para incrementar la sensibilidad de la MRI, incluyendo la hiperpolarización para incrementar la fuerza del Campo magnético, el "bombeo óptico" y la polarización dinámica nuclear. También existen unos esquemas de amplificación de señales basados en el intercambio químico que incrementan la sensibilidad.
En la actualidad se han desarrollado nuevos agentes de contrasteSosnovik, David E, Emerging concepts in molecular MRI, Current Opinion in Biotechnology 2007, 18:4–10 (ej: nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro) para la obtención de imágenes por Resonancia Magnética. Estos tienen la ventaja de ser dirigidos gracias a la posibilidad de modificar la superficie de las nanopartículas, brindando un amplio repertorio de modificaciones posibles y usos. A su vez les confiere mayor especificidad y una sensibilidad en el orden nanomolar (10-9 mol/L). Entre esos, podemos nombrar a: CLIO (Cross-Linked Iron Oxide): se modifica la superficie de las nanopartículas de hierro, conjugándolas con gran variedad de ligandos (ej: anticuerpos, fluorocromos, etc). Presentan una vida media en sangre mayor respecto de otras sondas y mejoran significativamente la señal biológica. Nanoswitches: son nanopartículas de óxido de hierro magnéticas, que sufren ensamblaje y desensamblaje reversible en presencia de una enzima específica o compuesto químico, produciendo un cambio en la relajación magnética transversal. Se las utiliza para la obtención de imágenes de eventos dinámicos en diagnóstico in vitro (ej: detección de proteasas, oligonucleótidos, partículas virales, etc). Biosensores: son modificaciones de los nanoswitches, que permiten sensar concentraciones de ciertos analitos en solución (ej: glucosa o calcio) o actividades enzimáticas.
Imagen Óptica
Existe una gran variedad de formas de generar la imagen óptica. Estos métodos dependen de la Fluorescencia, la Bioluminiscencia, la Absorción o la Reflectividad como un recurso de contraste.Weissleder, R., Mahmood, U., Molecular Imaging, Radiology 2001; 219:316-333. Download PDF
La desventaja de las imágenes ópticas es la falta de profundidad de penetración, la cual refiere a la capacidad de una radiación electromagnética de atravesar un tejido determinado, desde su lugar de generación hasta el lugar de detección. Está relacionada con los fenómenos de absorción y la dispersión de la luz, siendo mayor cuanto menor sean estos últimos. Existen a su vez cromóforos que se encuentran dentro del organismo en tejidos (ej: hemoglobina, melanina y lípidos) que absorben la luz. En general, la absorción y la dispersión de la luz decrecen cuando aumenta la Longitud de onda. Por debajo de los 700 nm (longitudes de onda visibles), estos efectos de absorción y dispersión conllevan a una poca penetración de profundidad, de solamente unos milímetros. Por lo tanto solo en la región del espectro visible solo se pueden evaluar tejidos superficiales. Por encima de los 900 nm el agua interfiere en la proporción de la señal. Esto se debe a que el coeficiente de absorción del tejido es considerablemente menor cerca del Infrarrojo (IR). A estas longitudes de onda (700-900 nm) la luz puede penetrar a mayor profundidad.Olive D.M., Kovar, J.L., Simpson, M.A., Schutz-Geschwender, A., A systematic approach to the development of fluorescent contrast agents for optical imaging of mouse cancer models, Analytical Biochemistry 2007;(367), #1, 1-12. Download PDF
En la actualidad, la creciente disponibilidad de proteínas fluorescentes, tintes y diversas sondas fluorescentes han permitido la realización de estudios de expresión genética, función proteica, interacción proteína-proteína y de un gran número de procesos celulares. Estas sondas con Fluorescencia permiten la realización de imágenes “in vivo”. Entre ellas, se encuentran los fluoróforos cercanos al infrarrojo, incluyendo tintes como el Kodak X-SIGHT, DyLight 750 y 800, entre otros. Los Puntos cuánticos son nanoestructuras semiconductoras que confinan el movimiento de los electrones. Estos tienen fotoestabilidad y pueden producir brillo. Son de gran interés debido a su eficiente ayuda para observar los sistemas circulatorio y renal, pero a largo plazo producen toxicidad.
Diferentes estudios han demostrado el uso de tintes infrarrojos: En comparación con la Gammagrafía y la formación de imágenes INR (Imágenes Químicas), un ciclopentapéptido etiquetado con 111-Indio y un Fluorocromo NIR es utilizado para la imagen de un xenograma de melanoma positivo.Houston, J.P., Ke, S. Wang, W., Li, C., and Sevick-Muraca, E.M., J. Biomed. Optics 10, 054010 (2005) Se usan RGD cercanos al infrarrojo que se usan para focalizar diferentes cánceres.Chen, K, Xie, J., Chen, X., Molecular Imaging, Vol 8, No 2 (March-April, 2009): pp 65-73. | Download PDF] Un Fluoróforo IR han sido conjugados a Factores de crecimiento epidérmico para mostrar imágenes de tumores creciendo.Kovar, J.L., Johnson, M.A., Volcheck, W.M., Chen, J., and Simpson, M.A., Am. J. Pathol. 169, 1415 (2006). | Download PDF] Los Fluoróforos IR comparados con otros tintes sugieren que longitudes de onda mayores producen una focalización de los agentes más rápido.Adams, K.E., Ke, S., Kwan, S., Liang, F., Fan, Z., Lu, Y., Barry, M.A., Mawad, M.E., and Sevick-Muraca, E.M., Journal of Biomedical Optics 12, 024017 (2007). El Pamidronato ha sido marcado con fluoróforos IR y usado para generar imágenes de huesos para detectar la actividad de los Osteoblastos en un animal.Zaheer, A., Lenkinski, R.E., Mahmood, A., Jones, A.G., Cantley, L.C., Frangioni, J.V., Nat. Biotechnol. 19, 1148 (2001). El fluoróforo IR marcado con GPI es un potente inhibidor del PSMA (Antígeno específico de la próstata).Humblet, V., Lapidus, R., Williams, L.R., Tsukamoto, T., Rojas, C., Majer, P., Hin, B., Ohnishi, S., De Grand, A.M., Zaheer, A., Renze, J.T., Nakayama, A., Slusher, B.S., and Frangioni, J.V.. Molecular Imaging 4, 448 (2005). El uso de albúmina marcado con un fluoróforo IR es un agente localizador para nodos linfáticos que intervienen en cánceres.Ohnishi, S., Lomnes, S.J., Laurence, R.G., Gogbashian, A., Mariani, G., and Frangioni, J.V., Molecular Imaging 4, 172 (2005).
Ultrasonido