El efecto fotoacústico: ver a través del sonido Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Una tecnología avanzada que combina ondas sonoras de alta frecuencia con luz láser les brinda a los investigadores y a los médicos clínicos una nueva manera de visualizar los tejidos vivos.

El dicho «ver para creer» a veces resulta tan cierto en la ciencia como en otras áreas de la vida. Las imágenes científicas abren nuevas perspectivas que están ocultas a simple vista, desde el mundo microscópico de las células, moléculas e incluso átomos hasta las galaxias más distantes. Muchas de estas imágenes se toman con sistemas que se basan en ondas luminosas. Pero en la biología y en la medicina, dichos sistemas tienen algunas desventajas: la luz no puede adentrarse profundamente en el tejido biológico sin dispersarse y las imágenes resultan borrosas, lo que impide visualizar profundamente el interior del cuerpo humano (Ntziachristos, 2010). Los rayos X tienen un mayor alcance, pero son nocivos para las células, por lo que su uso debe limitarse al mínimo.

Para superar estos problemas, se han desarrollado otras técnicas por imágenes que no se basan en la luz sino en otros tipos de onda, como las ondas acústicas (ondas de sonido), que se usan en la conocida tecnología de las ecografías. Gracias a su mayor longitud de onda, las ondas acústicas pueden adentrarse más en los tejidos biológicos y se dispersan menos, lo que les permite a los médicos clínicos controlar a los bebés que se desarrollan en el vientre, analizar la sangre que fluye en las venas e identificar defectos cardíacos. Sin embargo, las ecografías estándares en general tienen una baja resolución y no pueden competir con la claridad de las imágenes obtenidas a través de la luz y los rayos X.

Pero ahora hay una tecnología de imagen que combina la luz con el sonido y promete tener las ventajas de ambas. La técnica fotoacústica está basada, como su nombre lo indica, en el efecto fotoacústico que descubrió el inventor escocés Alexander Graham Bell en 1880.

Photoacoustic image of blood vessels in a human palm. The colour scale shows the depth of individual vessels.
La imagen fotoacústica de los vasos sanguíneos de la palma de una mano. La escala de colores muestra la profundidad de cada vaso sanguíneo. 
Matsumoto et al. (2018) Scientific Reports, CC BY 4.0

Cómo funciona la técnica fotoacústica

Tal como lo descubrió Bell hace más de un siglo, ciertos materiales emiten ondas sonoras cuando están expuestos a rápidos pulsos de luz. Para comprender por qué sucede, podemos descomponer el proceso en dos pasos consecutivos.

En el primer paso, la absorción de luz genera calor, efecto bien conocido por quienes hayan dejado aparcado un automóvil sin parasol un día soleado. La energía luminosa causa que las moléculas del material expuesto pasen a un estado excitado (de alta energía). Este estado no es estable: en aproximadamente un billón de segundos, las moléculas emiten energía calórica y vuelven al estado estable anterior. El mismo proceso sucede cuando apuntamos luz láser a una célula: ciertas moléculas llamadas «cromóforos» o pigmentos absorben la energía luminosa y se calientan.

En el segundo paso, el calor genera cambios de presión. Esto se debe a que cuando un objeto se calienta, se expande. Si esto les sucede a los pigmentos que absorben luz dentro de una célula, las moléculas de los pigmentos comienzan a vibrar con fuerza y ejercen presión sobre las estructuras circundantes, lo que causa cambios locales de presión. Sin embargo, una sola expansión no es suficiente para generar ondas sonoras. Para que eso ocurra, la presión debe oscilar rápidamente, lo cual es exactamente lo que ocurre si el láser emite una secuencia de pulsos muy rápidos de una milmillonésima de segundo cada uno. Debido a las breves expansiones que se producen, al alternar entre enfriamiento y contracción, se genera una onda sonora aguda con una frecuencia de 1–100 MHz (aproximadamente entre 50 y 5000 veces mayor que la frecuencia más alta que pueden detectar nuestros oídos). Esta onda sonora puede detectarse y usarse para producir imágenes claras y de alta resolución de estructuras biológicas, incluso de las que se normalmente están ocultas debajo de otros tejidos (figura 1).

Figure 1: How photoacoustic imaging works.
Figura 1: Cómo funciona la técnica fotoacústica. Los pulsos láser originan la emisión de ondas ultrasónicas, que se detectan y se usan para producir imágenes de estructuras del interior de los tejidos.
Jakub Czuchnowski
Laser pulse: Pulso láser; Ultrasound detector: Detector de ondas ultrasónicas; Transmission medium (water, ultrasound gel): Medio de transmisión (agua, gel para ultrasonido); Ultrasound waves: Ondas ultrasónicas; Living tissue: Tejido vivo; Blood vessel: Vaso sanguíneo; Absorbing molecule (e.g. haemoglobin): Molécula absorbente (p. ej., hemoglobina)

Los usos de la técnica fotoacústica

La técnica fotoacústica tiene claras ventajas frente a la técnica por imágenes estándar llamada «microscopía de fluorescencia». En esta técnica, se añade un indicador fluorescente a una muestra y se lo hace fluorescer (reemitir luz) por medio de un haz luminoso de longitud de onda controlada. En la microscopía fotoacústica, no se necesita añadir moléculas indicadoras y la técnica permite obtener una imagen de todas las moléculas absorbentes, incluso de las que están naturalmente presentes en los organismos vivos. Además, se pueden identificar de manera selectiva ciertos tipos de moléculas al cambiar la longitud de onda de la luz de excitación. Usar múltiples longitudes de onda permite ver diferentes componentes del tejido al mismo tiempo.

También se está desarrollado la técnica fotoacústica para crear una nueva forma de tomografía: una tecnología informática que permite construir imágenes en 3D mediante la integración de información digital. La tomografía fotoacústica se basa en el concepto de que cada molécula absorbente emite una onda esférica de presión que se propaga en tres dimensiones. Los detectores dispuestos en distintas ubicaciones reciben pulsos en momentos levemente diferentes y el programa informático usa la diferencia de tiempo para calcular en punto en el que se originan las ondas esféricas (Ntziachristos et al., 2005).

En la práctica, las ondas de presión que cada molécula individual origina son demasiado débiles para observarlas. En la tomografía fotoacústica, normalmente se detectan señales que vienen de grupos de mil millones o billones de moléculas, lo que corresponde a agrupaciones de entre 10 y 1000 células. En comparación, la resolución de la IRM (un tipo de tomografía ampliamente empleada) es del orden de 1 mm3, que corresponde a alrededor de un millón de células.

Aplicaciones médicas

La técnica fotoacústica tiene un gran potencial en la medicina, campo en el que las técnicas por imágenes son herramientas de diagnóstico fundamentales y poderosas. La técnica es especialmente adecuada para tomar imágenes de estructuras que contengan sangre, ya que la hemoglobina (el pigmento rojo que transporta oxígeno en las células sanguíneas) se deja ver claramente en las imágenes fotoacústicas. Una de las aplicaciones está relacionada con la detección de tumores (figura 2). Cuando los tumores crecen, desencadenan la reorganización de los vasos sanguíneos circundantes, lo que a menudo causa la formación de muchos vasos sanguíneos nuevos en un proceso llamado «neovascularización». Estos vasos sanguíneos pueden verse claramente al calibrar el láser a la frecuencia de absorción de la hemoglobina. Los estudios preliminares sugieren que usar la técnica fotoacústica para revelar la neovascularización puede ser más efectiva que la mamografía por ultrasonido para la detección del cáncer de mama (Heijblom et al., 2016). Además, la técnica fotoacústica no expone a los pacientes a radiación potencialmente nociva, a diferencia de los rayos X, la tomografía computarizada y la tomografía por emisión de positrones.

Figure 2: Comparison between X-ray and photoacoustic tomography for breast tumour imaging.
Figura 2: Comparación entre los rayos X y la tomografía fotoacústica para el diagnóstico por imágenes de los tumores mamarios. Además de evitar la radiación perjudicial, la tomografía fotoacústica puede revelar un aumento de vasos sanguíneos asociado con el crecimiento de un tumor.
Heijblom et al. (2016) European Radiology, CC BY-NC 4.0
X-ray image: Imagen de rayos X; Combined X-ray and photoacoustic image: Imagen combinada con técnica fotoacústica y de rayos X; 3D photoacoustic image: Imagen fotoacústica en 3D
 

Otra aplicación es en la detección de la arteriosclerosis (el espesamiento y endurecimiento de las arterias que a menudo es precursor de una cardiopatía o una apoplejía). En este caso, el diagnóstico por imágenes debe realizarse mediante un endoscopio equipado con una fibra óptica. La placa de grasa que se acumula en las paredes arteriales en la arteriosclerosis se distingue fácilmente del tejido normal, ya que tiene un espectro de absorción diferente. Las investigaciones preliminares han mostrado la posibilidad de un diagnóstico más preciso.

Aplicaciones en la investigación

Algunos desafíos científicos pueden abordarse de mejor manera usando «organismos modelos» como ratones y ratas, en lugar de estudiar el cuerpo humano directamente. Los roedores son organismos modelos importantes para la biología del cáncer y también para la neurociencia. Su pequeño tamaño hace que obtener imágenes de su anatomía interna sea relativamente fácil porque la luz no necesita adentrarse muy profundamente. Se han llevado a cabo varios estudios que emplean la técnica fotoacústica en ratones, por ejemplo estudios sobre el control del crecimiento y la evolución de los tumores (Jathoul et al., 2015).

El uso de los roedores como modelos también nos permite investigar cómo funciona el cerebro límbico (mamífero). Hay alrededor de 80 mil millones de neuronas en el cerebro humano, pero el cerebro del ratón solo tiene alrededor de 70 millones, lo cual facilita la obtención de imágenes detalladas. Hasta ahora, los estudios de los cerebros de los roedores se han llevado a cabo con tecnologías de imagen que muestran la activación de diferentes partes del cerebro durante su funcionamiento. En los experimentos típicos, los ratones reciben estímulos olfativos, sonoros o visuales y luego se obtienen imágenes del cerebro completo para saber dónde se procesa la información sensorial.  La tecnología de la imagen estándar que se emplea es la imagen por resonancia magnética funcional (IRMf). Sin embargo, además de tener baja resolución espacial, la IRMf no muestra de manera directa qué neuronas están activas; solo revela qué región cerebral consume más energía, ya que muestra el consumo de oxígeno en tiempo real. Esta limitación ha llevado a los científicos a desarrollar técnicas superiores para visualizar la actividad neuronal en forma más directa. En la tomografía fotoacústica, esto se logra visualizando concentraciones de calcio que fluctúan dentro de las neuronas mismas.

La tomografía fotoacústica en roedores promete ser una herramienta poderosa, ya que permite obtener imágenes en 3D, presenta un amplio campo visual y tiene alta resolución (Ovsepian et al., 2017). En principio, es posible obtener imágenes de todo el cerebro de animales que se desplazan libremente mientras recorren un laberinto o resuelven otras situaciones. Actualmente, la técnica fotoacústica no tiene la resolución suficiente para obtener imágenes de todas las funciones cerebrales en neuronas individuales, pero en todo el mundo se está trabajando para alcanzar este objetivo.

Jakub Czuchnowski working with the photoacoustic microscope
Jakub Czuchnowski trabaja con el microscopio fotoacústico en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL, por su sigla en inglés), en Heidelberg. El láser puede distinguirse claramente.
Marietta Schupp/EMBL

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References

Web References

  • w1 – El EMBL es el laboratorio europeo líder de investigación básica en biología molecular, con sede en Heidelberg (Alemania).

Resources

  • Puede ver un video que explica los principios y las aplicaciones de la técnica fotoacústica.

Institution

EMBL

Author(s)

Jakub Czuchnowski es estudiante de doctorado en el laboratorio de Robert Prevedel en el EMBLw1 de Heidelberg (Alemania). Jakub estudió biotecnología y física en la Universidad Jagiellonian (Polonia) y siempre ha estado interesado en la interacción entre los avances tecnológicos y la investigación biológica. Está trabajando para desarrollar un sistema fotoacústico para estudiar la evolución del cáncer en modelos de roedores y también está explorando nuevos métodos de detección de señales fotoacústicas para superar las limitaciones técnicas actuales.

Dr Robert Prevedel es líder de grupo en el EMBLw1 de Heidelberg (Alemania). Robert es doctor en física experimental por la Universidad de Viena (Austria), para la que desarrolló nuevas técnicas de computación óptica cuántica. Durante sus estudios de posdoctorado, Robert trabajó en innovadores métodos ópticos y herramientas de obtención de imágenes, con especialización en neuroimágenes funcionales en pequeños organismos modelo. Sus intereses de investigación actuales son el desarrollo de tecnologías ópticas para el diagnóstico por imagen en la biomedicina y su aplicación a problemas previamente inaccesibles del campo de la biología.


Review

Este artículo demuestra cómo la investigación en el campo de la física puede contribuir al área de salud y da a conocer un adelanto de las herramientas de diagnóstico por imágenes que estarán disponibles dentro de unos años.

Este artículo puede usarse para el aprendizaje basado en proyectos sobre diferentes tecnologías de imagen y para que el concepto de ondas en física les resulte más relevante a los estudiantes. La conexión entre la biología y la física también es muy interesante.

El artículo apoya el interés docente por la investigación innovativa; la forma directa en la que está escrito hace que los docentes puedan compartir fácilmente la información con los estudiantes y tal vez inspire a algunos de ellos a estudiar física a nivel terciario o superior.

El artículo es adecuado para su uso como ejercicio de comprensión. Se pueden proponer las siguientes preguntas:

  • ¿Qué ocurre con la luz cuando pasa a través del cuerpo o de tejidos biológios?
  • Describa una ventaja y una desventaja de emplear rayos X para el diagnóstico por imágenes.
  • ¿Por qué las ecografías presentan limitaciones para los médicos clínicos?
  • ¿Qué son los cromóforos?
  • ¿Cuál es la ventaja de la técnica fotoacústica en la microscopía?

Stephanie Maggi-Pulis, jefa del departamento de física, Secretariat for Catholic Education, Malta




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