Un nuevo enfoque de las imágenes ópticas hace posible monitorear de forma rápida y económica múltiples interacciones moleculares en una gran área de tejido vivo, como un órgano o un animal pequeño; tecnología que podría tener aplicaciones en diagnóstico médico, cirugía guiada o pruebas preclínicas de drogas. El método, que se detalla en Fotónica de la naturalezaes capaz de rastrear simultáneamente 16 colores de información vinculada espacialmente en un área que abarca varios centímetros, y puede capturar interacciones que ocurren en solo mil millonésimas de segundo.
«Hemos desarrollado una forma inteligente de adquirir una gran cantidad de información en un corto período de tiempo», dijo Xavier Intes, profesor de ingeniería biomédica en el Instituto Politécnico Rensselaer. «Nuestro enfoque es más rápido y menos costoso que la tecnología existente sin comprometer la precisión de los datos que adquirimos».
Como su nombre lo indica, la imagen óptica utiliza la luz para investigar un objetivo. En aplicaciones biomédicas, las imágenes ópticas tienen muchas ventajas sobre técnicas como MRI y PET, que utilizan el magnetismo y las emisiones de positrones para adquirir imágenes dentro del tejido vivo.
El método desarrollado por el laboratorio de Intes hace uso de técnicas de imagen óptica avanzada (imagen de vida útil de fluorescencia combinada con transferencia de energía de resonancia fomentada) para revelar el estado molecular de los tejidos. En la formación de imágenes de la vida útil de la fluorescencia (FLIM), las moléculas de interés se etiquetan con moléculas «informadoras» fluorescentes que, cuando se excitan con un haz de luz, emiten una señal de luz con un cierto color a lo largo del tiempo que es indicativo de su entorno inmediato. Las moléculas reporteras se pueden ajustar para ofrecer información sobre factores ambientales como la viscosidad, el pH o la presencia de oxígeno. FLIM es ideal para los tejidos gruesos del cuerpo porque depende de la información del tiempo, en lugar de la intensidad de la luz, que se degrada significativamente a medida que viaja a través del tejido. Los investigadores también utilizaron la transferencia de energía por resonancia de Forster (FRET), que determina la proximidad entre dos moléculas etiquetadas de manera similar, como un fármaco y su objetivo, en función de una transferencia de energía que ocurre solo cuando las moléculas etiquetadas se entregan a las células enfermas para obtener el máximo eficacia terapéutica.
Sin embargo, mientras que el método FLIM-FRET genera una señal rica en información, recopilar esa señal de forma rápida y económica es problemático. Los métodos actuales se basan en cámaras costosas, que solo pueden captar imágenes de un reportero a la vez, y escanear al sujeto puede llevar horas mientras la cámara recopila información de todo su campo de visión.
Para superar este obstáculo, los investigadores prescindieron de las cámaras y en su lugar utilizaron un método de detección de un solo píxel combinado con una técnica de muestreo matemático (basada en una transformada de Hadamard) que les permitió recopilar suficiente información relevante en 10 minutos para construir una imagen precisa. El método de detección puede recopilar información en 16 canales espectrales simultáneamente, y tres dispositivos de detección colocados alrededor de la muestra proporcionaron información espacial utilizada para construir una imagen tridimensional.
«Esta es una nueva plataforma, una nueva opción en macroscopia, y creemos que tendrá tracción en múltiples aplicaciones en el campo biomédico», dijo Intes.
«Imágenes compresivas hiperespectrales de tiempo de vida de fluorescencia de campo amplio resueltas en el tiempo» apareció en Nature Photonics y se puede encontrar usando el DOI: 10.1038/nphoton.2017.82. Intes se unió a la investigación, que fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y los Institutos Nacionales de Salud, por los estudiantes graduados de Rensselaer Qi Pian, Ruoyang Yao y Nattawut Sinsuebphon.
La investigación de Intes está habilitada por la visión de The New Polytechnic, un paradigma emergente para la educación superior que reconoce que los desafíos y oportunidades globales son tan grandes que no pueden ser abordados adecuadamente ni siquiera por la persona más talentosa que trabaja sola. Rensselaer sirve como una encrucijada para la colaboración, trabajando con socios en todas las disciplinas, sectores y regiones geográficas, para abordar desafíos globales complejos, utilizando las herramientas y tecnologías más avanzadas, muchas de las cuales se desarrollan en Rensselaer. La investigación en Rensselaer aborda algunos de los desafíos tecnológicos más apremiantes del mundo, desde la seguridad energética y el desarrollo sostenible hasta la biotecnología y la salud humana. El Nuevo Politécnico es transformador en el impacto global de la investigación, en su pedagogía innovadora y en la vida de los estudiantes de Rensselaer.
