Tumores la inflamación y los trastornos circulatorios alteran localmente el equilibrio ácido-base del cuerpo. Estos cambios en el valor del pH podrían usarse, por ejemplo, para verificar el éxito de los tratamientos contra el cáncer. Hasta ahora, sin embargo, No ha habido ningún método de imagen para hacer visibles estos cambios en los pacientes. Ahora, un equipo de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) ha desarrollado un sensor de pH que hace que los valores de pH sean visibles a través de imágenes de resonancia magnética (IRM), de forma no invasiva, manera libre de radiación.

Hace cuatro años, durante un experimento de resonancia magnética con células tumorales, El físico de TUM, Dr. Franz Schilling, encontró señales de una molécula que era muy sensible a los cambios de pH. La molécula, que fue identificado como ácido zimónico en investigaciones posteriores, podría desempeñar un papel importante en el futuro de la imagenología médica. Como biosensor de valores de pH, podría proporcionar información sobre el cuerpo que había sido imposible en el pasado.

"Un método de obtención de imágenes de pH apropiado permitiría visualizar cambios anormales en los tejidos y, específicamente, los procesos metabólicos de los tumores, "explica Franz Schilling. Las áreas que rodean los tumores y las inflamaciones suelen ser un poco más ácidas que las que rodean el tejido sano, un fenómeno posiblemente ligado a la agresividad de los tumores. Schilling ve otros usos potenciales en los pronósticos de tratamiento:"Los valores de pH también son interesantes cuando se trata de evaluar la eficacia de los tratamientos de tumores. Incluso antes de que un tumor tratado con éxito comience a encogerse, su metabolismo y por lo tanto el valor de pH del área circundante podría cambiar. Un método apropiado de obtención de imágenes de pH indicaría en una etapa mucho más temprana si se ha seleccionado o no el enfoque correcto ".

Schilling es ahora Director del grupo de trabajo de Imagen Preclínica y Física Médica en la Clínica y Policlínica de Medicina Nuclear de la TUM Klinikum rechts der Isar. En años pasados, se ha unido a colegas de los departamentos de Física, Química y Medicina para investigar el ácido zimónico como biosensor. En el diario Comunicaciones de la naturaleza el equipo describe cómo se puede utilizar para representar de forma fiable los valores de pH en los cuerpos de animales pequeños.

Imágenes por resonancia magnética con limitaciones de tiempo

Para hacer visibles los valores de pH con ácido zimónico, la molécula se inyecta en el cuerpo y luego se realiza una investigación de imágenes por resonancia magnética (IRM) del tejido del objeto. En términos muy simplificados:en un campo magnético fuerte, las ondas de radio excitan los espines nucleares del ácido zimónico a la oscilación. Luego se registran las reacciones de los núcleos. Estos datos se utilizan para calcular espectros de frecuencia que a su vez proporcionan información sobre las propiedades químicas del entorno molecular de los núcleos. Por último, el valor de pH en cualquier lugar examinado en el tejido se puede representar basándose en cambios moleculares dependientes del pH en el ácido zimónico.

El ácido zimónico debe marcarse con carbono 13 para que sea visible en las imágenes de resonancia magnética. Esto significa que las moléculas contienen 13 átomos de carbono (13C) en lugar de 12 átomos de carbono "normales". Pero el ácido zimónico marcado de esta manera todavía no se puede medir:su señal de resonancia magnética es demasiado débil. "Por lo tanto, utilizamos un método relativamente nuevo, hiperpolarización, "explica Stephan Düwel, físico y primer autor del estudio. "Usamos un dispositivo especial para transferir la polarización de electrones a los núcleos atómicos 13C usando microondas a temperaturas muy bajas, lo que da como resultado una señal de resonancia magnética de hasta 100, 000 veces más fuerte ". Luego se usa un líquido caliente para devolver rápidamente el ácido zimónico a temperatura ambiente.

Después de este, los científicos deben actuar con rapidez. El biosensor se inyecta por vía intravenosa en el organismo, luego, la resonancia magnética debe realizarse de inmediato:solo se necesitan 60 segundos para que el efecto amplificador de señal de la hiperpolarización desaparezca nuevamente. "Actualmente estamos trabajando para ampliar esta ventana de tiempo, "dice Düwel." Por un lado, estamos tratando de mejorar las propiedades de resonancia magnética del ácido zimónico con modificaciones apropiadas en la molécula; Por otra parte, buscamos otras moléculas sensibles al pH, "explica el bioquímico Christian Hundshammer, segundo autor del estudio.

Ventajas en comparación con otros enfoques

Franz Schilling y su equipo han logrado demostrar que su método es lo suficientemente sensible como para representar cambios de valor de pH médicamente relevantes en el organismo. Además, con ácido zimónico es posible investigar específicamente el valor de pH fuera de la membrana celular:con otros biosensores a menudo no está claro si los cambios medidos tienen lugar dentro o fuera de la célula (intracelular o extracelular). Esto es importante porque el valor intracelular suele ser estable, mientras que los cambios en el metabolismo tienen un impacto mucho mayor en el valor extracelular.

A diferencia de los métodos ópticos, que se limitan a la penetración superficial en el cuerpo debido a la baja transparencia del tejido, no hay limitaciones para la profundidad de penetración de la resonancia magnética. Además, se ha demostrado que el ácido zimónico no es tóxico en las concentraciones utilizadas con animales pequeños y también se crea en concentraciones bajas como subproducto del metabolito ácido pirúvico que está presente en el cuerpo.

"Creemos que el ácido zimónico es un biosensor muy prometedor para aplicaciones de pacientes, "dice Franz Schilling. Por el momento, sin embargo, Se planean estudios preclínicos adicionales para determinar las ventajas de este nuevo biomarcador de imágenes en comparación con los métodos convencionales y para mejorar aún más la resolución espacial de las imágenes de pH.