Por una enfermedad como el cáncer los médicos a menudo recurren a la tomografía computarizada (TC) para obtener un diagnóstico más definitivo, basado en la reconstrucción de un órgano 3-D a partir de múltiples cortes de imágenes 2-D. A nivel molecular, Estos escáneres tridimensionales podrían convertirse en una parte importante de la medicina de precisión:un futuro en el que se adapten las decisiones de tratamiento a las características celulares únicas de cada paciente.

Pero traduciendo la idea de tomografías computarizadas de órganos grandes, como nuestro corazón o cerebro, a moléculas minúsculas está lejos de ser trivial, por eso Paul Campagnola, profesor de ingeniería biomédica y física médica en la Universidad de Wisconsin-Madison, ha hecho una carrera con eso.

Con un artículo publicado este mes (octubre de 2017) en la revista Optica , ahora ha dado un siguiente paso crucial hacia la obtención de imágenes moleculares tridimensionales del colágeno, la proteína más abundante en humanos que se encuentra en todos nuestros huesos, tendones y tejidos conectivos.

"El colágeno es esencial para la estabilidad ósea y tisular, y los cambios en su organización intrínseca tridimensional son una característica clave de todos los cánceres y varias otras enfermedades, "Dice Campagnola. Es por eso que las imágenes detalladas de estos cambios podrían convertirse en una parte importante de las decisiones de tratamiento clínico en el futuro".

¿Qué hace que las imágenes de colágeno sean tan complicadas? Un microscopio óptico tradicional muestra diferencias, o contrastes, entre objetos más claros y más oscuros porque absorben diferentes longitudes de onda de la luz que brilla a través de ellos. Pero dado que las moléculas de colágeno son transparentes, no generan esos contrastes.

Hay técnicas especiales disponibles para obtener imágenes de objetos transparentes, pero en el caso del colágeno, Campagnola y otros investigadores demostraron a fines de la década de 1990 que las imágenes 2-D de mayor resolución son el resultado de explotar su estructura rígida y jerárquica:las moléculas de colágeno individuales se apilan juntas como una pared de ladrillos en fibrillas de colágeno, que se empaquetan uno al lado del otro en haces paralelos llamados fibras de colágeno. Es esta estructura la que le da a las partes del cuerpo a base de colágeno su estabilidad casi similar al acero.

Y aunque una estructura transparente tan organizada no cambia la frecuencia primaria de la luz, interactúa con su frecuencia denominada "segundo armónico". En musica, el segundo armónico de una onda de sonido tiene el doble de frecuencia y la mitad de la longitud de onda del original, creando un sonido una octava más alto en un instrumento de cuerda.

"El colágeno es el tipo de tejido humano más común cuya interacción con un láser crea una nueva señal única que llamamos luz de segundo armónico, análogo al segundo sonido armónico de la música, "Explica Campagnola." A diferencia de otros materiales, las moléculas de colágeno se ensamblan de tal manera que esta luz es brillante y puede distinguir entre diferentes subestructuras ".

Por lo tanto, La microscopía de segunda generación armónica nació cuando los investigadores aprendieron a convertir estas señales de orden superior en imágenes bidimensionales, pero las imágenes tridimensionales siguieron siendo esquivas durante algunos años más.

Con su nuevo estudio, El grupo de Campagnola ahora ha proporcionado el marco experimental y computacional para ensamblar imágenes de colágeno 2-D, tomado desde múltiples ángulos alrededor de la muestra de tejido, en una vista tridimensional de resolución moderada, similar a la familiar tomografía computarizada de órganos humanos.

La clave de este nuevo paradigma de imágenes es un dispositivo impreso en 3D que sostiene un tubo conectado a un pequeño motor y se coloca en el escenario de un microscopio vertical. Una vez que una muestra de tejido (digamos, un tendón de la cola de ratón) se coloca en el tubo, el motor comienza a girarlo. Cada vez que una fuente láser, ubicado debajo del escenario, envía luz a través de la muestra giratoria, un escáner láser registra la imagen de microscopio bidimensional resultante. Al final del procedimiento, un algoritmo matemático complejo reconstruye una imagen tridimensional, un primer paso hacia la tomografía de segunda generación armónica, a partir de todos los cortes bidimensionales.

Una vez implementado en entornos clínicos, La tomografía de colágeno 3D de alta resolución puede perfeccionarse, por ejemplo, sobre las diferencias sutiles entre las fibras de colágeno altamente alineadas en el tejido del cáncer de mama y de ovario, que son distintos de la malla de colágeno en forma de cruz que se encuentra en el tejido normal. Estas imágenes pueden informar las decisiones de tratamiento no solo para el cáncer, sino también para la fibrosis pulmonar, una afección en la que el tejido pulmonar dañado y con cicatrices reduce la capacidad respiratoria del paciente.

"Nuestro próximo objetivo es aplicar la nueva tecnología a una variedad de tejidos enfermos, ", Dice Campagnola." Si podemos crear una base de datos de pacientes lo suficientemente grande con imágenes y resultados clínicos, los médicos pueden eventualmente elegir quimioterapia u otros tratamientos basados ​​en la estructura de colágeno tridimensional en el propio tejido del paciente, que es el tipo de medicina de precisión que realmente puede marcar la diferencia en el éxito del tratamiento ".