Como joven físico en la ex Unión Soviética, Igor Sokolov estudió lo más grande de lo grande:el universo entero. Ahora, como profesor de ingeniería mecánica en Tufts, está enfocado en lo pequeño, el nano. Al acercar el zoom, hacia adentro, Sokolov y sus colegas estudian todo, desde bacterias hasta escarabajos hasta el nivel de nanoescala. Ahora ha vuelto a mirar uno de los problemas más antiguos de la medicina:el cáncer.

El instrumento de elección de Sokolov es el microscopio de fuerza atómica (AFM), que utiliza su minúscula sonda en forma de dedo para medir fuerzas diminutas a una escala muy pequeña, "prácticamente entre átomos individuales, ", dice. Se encontró con esta tecnología por primera vez cuando era un estudiante de posgrado que estudiaba los orígenes del universo hace más de 20 años, sobre la época en que se inventó el AFM. Lo usó para buscar evidencia de partículas elementales teóricas. Cuando Sokolov no encontró ninguno, su trabajo ayudó a poner en práctica esas ideas.

Pronto Sokolov giró el instrumento hacia preocupaciones más terrenales. Para 1994, como miembro del departamento de microbiología de la Universidad de Toronto, fue uno de los primeros en utilizar AFM para estudiar bacterias. Acercándonos a una bacteria probiótica utilizada para hacer queso suizo, Sokolov reveló un proceso nunca antes documentado mediante el cual la célula repara su superficie después de sufrir daños químicos.

El experimento también demostró la capacidad de AFM para detectar cambios mecánicos en células vivas con una resolución sin precedentes, algo que sería útil en el trabajo posterior de Sokolov. "Ese fue el comienzo de mi amor por las aplicaciones biomédicas, "dice Sokolov, quien también tiene nombramientos en los departamentos de ingeniería biomédica y física.

Una mirada más cercana al cáncer

Más recientemente, Sokolov y sus colegas han utilizado la microscopía de fuerza atómica en algunas de las células más misteriosas de todas:las malignas. La mayoría de las herramientas de diagnóstico existentes utilizan la huella química de las células para identificar el cáncer. En una serie de experimentos durante los últimos cinco años, buscó diferencias físicas entre las células cancerosas y las células sanas que podrían ayudar a los médicos a diagnosticar el cáncer antes y con mayor precisión. La detección temprana aumenta sustancialmente las posibilidades de supervivencia de los pacientes.

Él y sus colaboradores han obtenido resultados prometedores en estudios preliminares que utilizan células de cáncer de cuello uterino y de vejiga, "cánceres en los que se pueden extraer células sin biopsias, métodos muy poco invasivos. " señala.

En 2009, Sokolov y sus colegas de la Universidad de Clarkson en Nueva York estudiaron células sanas y enfermas que eran prácticamente idénticas, bioquímicamente hablando. Buscando alguna diferencia física o mecánica que pueda ayudar a distinguir los dos tipos de células, los investigadores encontraron que la capa superficial que rodea a las células cancerosas, lo que Sokolov llama la capa de cepillo pericelular, era marcadamente diferente de la de las normales.

"Eso fue definitivamente nuevo, " él dice, señalando que investigadores han publicado recientemente resultados similares utilizando métodos bioquímicos más tradicionales. "Los autores llamaron a esos hallazgos el resultado del cambio de paradigma de mirar el cáncer".

La capa de cepillo pericelular es algo así como el abrigo de piel de una célula, y puede parecerse al de un gato persa o al de un chucho sarnoso. Es en la densidad y el tamaño de esta capa de cepillo donde los investigadores encontraron diferencias significativas entre las células cancerosas y las células sanas. En un artículo de 2009 publicado en Nanotecnología de la naturaleza , el equipo informó haber observado una capa de cepillo relativamente uniforme en las células sanas, mientras que en células cancerosas, vieron una capa de cepillo de dos niveles, con pelos largos y escasos y cerdas cortas y densas.

Cuando los científicos espolvorearon cultivos celulares con partículas fluorescentes, pudieron ver, incluso a simple vista, que las partículas se habían adherido a las células cancerosas, dejando evidencia resplandeciente de la enfermedad.

"No necesitas ningún dispositivo para ver la diferencia. Creó un gradiente visible muy fuerte para las células cancerosas, "Dice Sokolov.

Ese hecho resultó ser más interesante que útil como herramienta de diagnóstico, aunque. Esto se debe a que las células sospechosas deben cultivarse en un plato, y los científicos ya pueden identificar las células cancerosas simplemente observándolas crecer.

La bomba de tiempo fractal

Entonces, el equipo de Sokolov buscó otros parámetros que podrían alertar a los patólogos sobre la presencia de cáncer. Después de probar muchas características celulares, los investigadores encontraron una variación clave, un rasgo llamado "dimensionalidad fractal".

Los fractales se definen como patrones "auto-similares" que se ven casi iguales en varias escalas. Ocurren a menudo en la naturaleza. Piense en un árbol:las ramitas con hojas más delgadas repiten los patrones de las ramas más anchas de abajo. Se ven más o menos iguales al acercar o alejar la imagen; pierde el sentido de la escala sin otro objeto que lo advierta.

"Los fractales ocurren típicamente en la naturaleza debido a un comportamiento caótico. El cáncer también se ha asociado con el caos. Por lo tanto, muchos investigadores predijeron la conexión entre el cáncer y los fractales, "Sokolov explica.

Y cuando su equipo usó AFM para observar la superficie de las células, los investigadores vieron prácticamente una diferencia del 100 por ciento en la dimensionalidad fractal de las células normales y cancerosas, un hallazgo que informaron en la revista Cartas de revisión física en 2011.

Más recientemente, Sokolov y sus colegas pudieron determinar que esta geometría fractal ocurre durante un período específico, fase intermedia de la progresión del cáncer. Los resultados, presentados recientemente para su publicación, podrían algún día ayudar a los médicos no solo a diagnosticar la enfermedad, sino también a monitorear su progresión.

"Hasta ahora, lo que hemos visto es bastante preciso, mucho más preciso que cualquier cosa que esté disponible para que los médicos diagnostiquen el cáncer de cuello uterino en la actualidad, ", dice Sokolov. Señala que la prueba de Papanicolaou común es propensa a dar falsos positivos y no detectar cánceres tempranos.

Aunque la prueba ha reducido las tasas de mortalidad desde su introducción, nunca ha sido objeto de un ensayo controlado aleatorio (el estándar de oro de la investigación científica) y no existen definiciones universalmente aceptadas de los resultados de las pruebas, según el Instituto Nacional del Cáncer.

"Todavía tiene una precisión insuficiente, conduciendo a biopsias innecesarias costosas y desagradables, "dice Sokolov.

La investigación sobre el cáncer es solo uno de los varios proyectos que Sokolov y sus dos becarios postdoctorales junto con cuatro estudiantes graduados (dos ingenieros mecánicos y dos ingenieros biomédicos) están en marcha en sus laboratorios en 200 Boston Avenue.

El grupo, con colaboradores de Tufts Medical Center, Dartmouth College e instituciones en todo Boston, también está buscando otros enfoques nanotecnológicos para diagnosticar el cáncer. Ya han desarrollado una alta resolución, prueba de alta velocidad que eventualmente podría conducir a una nueva forma de estudiar los cambios en las células cuando se vuelven malignas. Pensando más a largo plazo, Sokolov plantea la idea de una nanopartícula que patrulla el cuerpo y que puede cambiar de color cuando detecta algo malo.

"Como una bomba de tiempo, algunas de estas células se volverán cancerosas, ", dice." En las primeras etapas, el cáncer se mata con bastante facilidad, por lo que el diagnóstico temprano puede ayudar a erradicarlo ".