Miércoles, 22 2017 Noviembre

 

Ventanas al Cerebro: nuevas soluciones que enriquecen la propuesta original

07-Septiembre-2017 

En ocasiones, un proyecto innovador es capaz de generar soluciones “en cascada”, a cual más de novedosas, para avanzar en su desarrollo.

Pongamos un ejemplo. Se sabe que para ciertos traumatismos o lesiones cerebrales es posible ofrecer diagnóstico y tratamiento utilizando luz (láseres, principalmente). El problema es que la opacidad del hueso no permite usarla directamente. Por lo tanto, un proyecto innovador puede consistir en desarrollar implantes hechos con cierto tipo de cerámica transparente que reemplace secciones del cráneo y permita ese acceso visual al tejido cerebral.

En eso precisamente consiste el proyecto binacional Ventanas al Cerebro que se viene desarrollando desde hace dos años y cuyos avances no solamente fueron evaluados en agosto, sino que pusieron de manifiesto la necesidad de incorporar otras líneas de investigación para ir logrando los diferentes componentes que le darán funcionalidad a la propuesta. Esto es: desarrollar soluciones que permitan enfrentar nuevos retos.

¿A qué nos referimos? Hacer que un líquido substituya las funciones de una aguja al momento de inyectar soluciones, utilizando láseres para generar miles de diminutos chorros por segundo; atacar infecciones bacterianas empleando métodos ópticos en lugar de antibióticos, o concebir tratamientos en tumores usando calor en puntos muy específicos (de unas 50 micras) del cerebro utilizando fibra óptica y nanotubos de carbono.

Ventanas al Cerebro es un proyecto en el que participan nueve grupos de investigación: seis de Estados Unidos (de la Universidad de California en Riverside y en San Diego), y tres mexicanos: uno del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), otro del Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM, y uno más del CICESE, bajo el liderazgo del Dr. Santiago Camacho López (liga a nota).

Entrevistado a su regreso de Puebla, donde en agosto se celebró la segunda reunión anual de evaluación de este proyecto en instalaciones del INAOE, Santiago Camacho platicó sobre los avances que reportó cada grupo participante, sobre las nuevas líneas de investigación que han surgido y sobre cómo éstas vienen a enriquecer la propuesta original.

Esta reunión fue organizada por el Dr. Rubén Ramos García, quien es el investigador responsable en este proyecto por parte del INAOE. Él realizó ahí mismo tres días antes una escuela sobre biofotónica, y se quiso aprovechar el contexto de esta escuela porque la enfocó específicamente a estudios en el cerebro. Así, los estudiantes de posgrado que participan en Ventanas al Cerebro pudieron asistir a la escuela, y los dos días siguientes participaron en la reunión de evaluación del proyecto.

Ventanas al Cerebro es un proyecto que empezó formalmente en octubre de 2015 en el marco del programa conjunto NSF-CONACYT denominado Partnership for International Research and Education (PIRE) -en febrero de 2016 se firmó el convenio de asignación de recursos del CONACYT-. Tiene una vigencia de cinco años, y el patrocinio de ambas entidades supera los 5 millones de dólares.

Santiago Camacho dijo que el proyecto consiste básicamente en utilizar láminas delgadas (obleas) de una cerámica transparente – óxido de zirconio dopado con itrio, conocida también como YSZ–, como implantes en secciones del cráneo. La transparencia de este material permite tener acceso visual al tejido cerebral, convirtiéndolo en una excelente plataforma de usos biomédicos, tanto de diagnóstico como de tratamiento.

En la reunión, los nueve grupos de investigación presentaron avances en los distintos temas que conforman el proyecto, tanto en la parte de investigación como en aspectos educativos. Además de los investigadores y estudiantes, asistió un panel de asesores externos cuya función es evaluar los resultados, opinar sobre los avances o retrasos que detecten, y recomendar los aspectos que deben cuidarse para optimizar el desarrollo global del proyecto.

Diseñar un material transparente que permita visualizar el tejido cerebral, implantarlo en el cráneo y utilizar luego luz para diagnosticar y tratar lesiones, no es algo sencillo. Implica desarrollar muchos componentes para llevar la propuesta a un nivel funcional.

Revisemos algunos en los que están trabajando las tres instituciones mexicanas.

INAOE

Rubén Ramos y su grupo en el INAOE trabajan en mejorar las imágenes que se obtienen de tejido biológico. Santiago Camacho explicó que en óptica existe un fenómeno conocido como esparcimiento de luz que provoca justamente eso: que la luz se esparza en todas direcciones cuando atraviesa esta clase de tejido, generando imágenes difusas, borrosas. En caso de existir una lesión cerebral, es importante poder visualizar, por ejemplo, los vasos sanguíneos profundos para determinar si hay un buen flujo de sangre en ellos, e incluso poder medir los niveles de oxigenación.

Como el fenómeno de esparcimiento de luz imposibilita eso, en el INAOE desarrollan técnicas ópticas para generar imágenes más nítidas en estos medios.

Otra vertiente del trabajo que hace Rubén Ramos y su grupo tiene que ver con la manera como se puede aclarar temporalmente el cuero cabelludo. Santiago Camacho lo explica así: vamos a pensar que diseñas la ventana y la implantas en el cráneo. Encima tienes que colocar nuevamente el cuero cabelludo, pero al ser opaco te va a estorbar.

La solución pasa por inyectar una agente aclarante (básicamente glicerol) que vuelva temporalmente transparente la piel. Y esto hay que hacerlo de forma eficiente, pues estamos hablando de una superficie del orden de centímetros utilizando agujas extremadamente delgadas.

Un grupo de Estados Unidos ha diseñado una especie de cepillo en el que cada cerda funciona como una microaguja hecha de titanio. Este arreglo se clava en la piel, permitiendo que por cada aguja se inyecta el agente aclarante.

“Pero Rubén Ramos en el INAOE, con base en un fenómeno conocido como cavitación, encontró una manera para generar chorros muy delgados de líquido. En un proyecto que tenemos en el CICESE para desarrollar un sensor de presión intraocular, lo que hacemos es formar una burbuja de cavitación en un líquido utilizando un láser. Imagínate que tienes un recipiente súper pequeño con un tubo de salida y generas una burbuja adentro, con un láser. Al expandirse, la burbuja va a empujar el líquido hacia afuera. Si el recipiente tiene un orificio de salida y un tubito, cuando la burbuja se expande se genera un chorro. Lo que Rubén Ramos está diseñando son estos jets o chorros, que son muy delgaditos y salen a una velocidad muy grande. Él está llamando a esto inyecciones sin aguja, porque el líquido sale tan rápido y el chorro es tan delgado que, si está cerca de la piel, el propio líquido hace la función de la aguja.

“Estas burbujas de cavitación se pueden generar a velocidades muy grandes, de miles de burbujas por segundo. Eso quiere decir que puedes aplicar miles de inyecciones por segundo utilizando esta técnica, (lo que permite) cubrir una área grande (de centímetros) con el agente aclarante”.

El Dr. Camacho indicó que este procedimiento ha sido exitoso y está suficientemente avanzado. “Obviamente, de ser exitoso va a tener un impacto bastante grande en todo el sector salud. En términos de las ventajas que tendría este sistema respecto a una inyección con aguja, en las inyecciones tradicionales el problema es ¿qué haces con la aguja que ya está contaminada? Aquí, si no tienes aguja no te tienes que preocupar por desecharla. Nada más por ese aspecto ya lo convierte en algo súper interesante y de mucha utilidad en el sector salud. ¡Imagínate cuántas inyecciones se aplican por día en el país!”

UNAM

En la UNAM, el Dr. Juan Hernández Cordero y su grupo se ha centrado en el diagnóstico y tratamiento de lesiones cerebrales, y para ello han desarrollado unos calentadores basados en fibra óptica.

Hoy en día, explica el Dr. Camacho, se han desarrollado varias técnicas tanto de diagnóstico como de terapia utilizando luz láser o luz LED. Estas técnicas emplean herramientas ópticas muy específicas, porque se necesita llevar la luz de manera muy controlada hacia el interior del cerebro (por ello se considera Ventanas al Cerebro como una espléndida plataforma biomédica).

“Una manera de hacerlo, con la que garantizas que la luz que estás llevando va a llegar al lugar indicado, es a través de fibras ópticas y de guías de onda. Juan Hernández, quien es líder del proyecto por parte del Instituto de Investigaciones en Materiales, no solamente es un experto en fibras, sino en sensores biológicos basados en fibras ópticas”.

Su aportación al proyecto es la incorporación de fibras ópticas a esta ventana, tanto para acoplar luz desde un láser a la plataforma, como para incorporar sensores basados en fibra.

“Y una cosa bastante interesante que está haciendo es el diseño de unos calentadores basados en fibra. Consisten básicamente en una fibra óptica que en la punta tiene depositada una capa de nanotubos de carbono. Utilizando luz infrarroja que se propaga a través de la fibra, en cuanto llega a la punta (al carbono), la luz infrarroja se absorbe y eso hace que se eleve la temperatura en la punta de la fibra. Estamos hablando de un punto de aproximadamente 50 micras (un cabello humano mide 100 micras de diámetro, más o menos), por lo que te va a proporcionar una región caliente de ese tamaño, de entre 50 y 100 micras. ¡Imagínate un calentador de esas dimensiones!

“Vamos a suponer que estamos hablando de un tumor, por ejemplo, y quieres destruir ese tumor pero no quieres dañar más allá del sitio donde está localizado. Entonces uno de estos calentadores se podría insertar en el tumor, generas calor en una zona muy bien localizada, de dimensiones muy pequeñas, y eso te da la oportunidad de dar terapia de una manera muy controlada solamente en el sitio de interés”, indicó Santiago Camacho.

CICESE

Respecto al trabajo que realiza su grupo en el CICESE, dijo que está centrado en dos aspectos: atacar infecciones bacterianas con métodos ópticos, y entender cómo es la interacción de la luz en esta cerámica (que es un nuevo material policristalino) para poder formar guías de onda óptimas.

El primer aspecto es muy novedoso y si demuestran su viabilidad contribuiría no solamente al éxito del proyecto, sino que tendría un impacto enorme en el sector salud.

Explicó que en un procedimiento como éste, en el que se retira una sección del cráneo para luego volverla a implantar (o alguna prótesis de otro tipo), es bastante común que se presenten infecciones bacterianas tanto en la unión del hueso como en el tejido cerebral.

El procedimiento médico estándar es brindar tratamiento con antibióticos. Usualmente esto requiere volver a quitar la tapa, hacer el procedimiento y volverla a colocar. Y luego quitarla de nuevo para ver cómo va evolucionando la infección y volverla a colocar, y así sucesivamente.

“Nosotros en este concepto de Ventanas al Cerebro, la propuesta que tenemos es que una vez colocada quede herméticamente cerrada; esto es, no volverla a quitar. La idea de que sea transparente es que, una vez que ya la colocaste, lo que suceda ahí dentro lo puedas tratar o diagnosticar de manera no invasiva, utilizando solamente luz, láser o LED”.

En caso de que surja una infección bacteriana, una posibilidad de tratamiento es emplear láseres de pulsos ultrarrápidos (de femtosegundos) para atacarla. Y eso lo está haciendo Cecilia Guerra, estudiante de doctorado.

De hecho, ya demostró que sí es posible inactivar el crecimiento de colonias de bacterias mediante la irradiación láser de pulsos ultracortos. En un escenario controlado colocó en un recipiente de cuarzo una solución de agua con bacterias, y utilizando estos láseres pudo eliminarlas completamente.

“Obviamente de aquí hay que pasar a un escenario in vivo, más cercano a una situación real. Pero esto que estamos haciendo va encaminado en esa dirección: si logramos demostrar que sí se puede lograr la inactivación bacteriana en el escenario de una ventana de éstas, colocada en un organismos vivo, tendría también un impacto enorme en el sector salud. Y no solamente por la posibilidad de hacerlo de una manera no invasiva, sino porque está probado que estos organismos se vuelven resistentes a los antibióticos. Entonces si encontramos una manera alternativa de poder eliminar estas infecciones sin tener que recurrir a los antibióticos, sería algo bastante positivo”, indicó el Dr. Camacho.

La otra vertiente del trabajo que realizan en su laboratorio tiene que ver con la fabricación de guías de onda en estas láminas de cerámica transparente. Estas guías son una especie de tubos que se forman dentro del material transparente y que pueden conducir un haz de luz. En el implante craneal tienen la siguiente función: una fibra óptica desde el exterior se acopla a la guía de onda, y la guía lleva la luz hasta el otro extremo, donde está acoplada otra fibra, evitando así que una misma fibra óptica atraviese la oblea de lado a lado.

Este procedimiento, en el que también se emplean láseres de femtosegundos para fabricar las guías, se viene haciendo desde hace 30 años más o menos, en distintos materiales transparentes como vidrio y monocristales, e incluso algunos polímeros, según explicó Santiago Camacho. Lo verdaderamente novedoso es intentar hacerlo en este nuevo material, que es policristalino; es decir, que está hecho de cristalitos muy pequeños pegados unos con otros.

“Desde el punto de vista de investigación básica es todo un reto porque el comportamiento del material es completamente distinto al de un vidrio o al de un monocristal. Para poder formar estas guías de onda de manera óptima tenemos que entender primero cómo es la interacción de la luz con este tipo de materiales, a un nivel muy fundamental. Una vez que entendemos eso podemos decir que para formar guías de onda óptimas tenemos que hacerlo de esta manera y de esta otra”.

Cecilia Guerra también trabaja en esta parte, muy de cerca con el grupo del Dr. Javier Garay, que está en la Universidad de California en San Diego, y que son quienes sintetizan y proporcionan el óxido de zirconio dopado con itrio en la forma del implante craneal.

Los defectos en la síntesis del material provoca que, por ejemplo, cuando Cecilia pasa el láser por una de estas irregularidades, se forme un hoyo. Entonces se informa al grupo de Javier Garay y ellos modifican la síntesis para tratar de evitar los defectos. “Y nos vuelve a dar el material y nosotros volvemos a formar las guías y así vamos entendiendo el proceso poco a poco. Desde ese punto de vista estamos haciendo un trabajo doble, en el sentido de que por un lado estamos entendiendo la interacción de la luz con este tipo de materiales, que son nuevos, y por el otro estamos formando las guías para que cumplan la función que queremos dentro del concepto de Ventanas al Cerebro”.

Santiago Camacho también habló sobre el avance global que tienen los participantes, que fue el motivo de la reunión en Puebla. “En general vamos bien y en algunos aspectos vamos más adelantados de lo que esperábamos. Con respecto al año pasado, que fue la primera reunión de seguimiento (liga a nota), no había muchas publicaciones, los alumnos estaban empezando sus distintos proyectos. En este año ya se vio una diferencia significativa. Prácticamente todos los grupos tienen publicaciones, hay estudiantes avanzados en sus proyectos, entonces la evaluación global, tanto la que hacemos nosotros mismos como la del panel de asesores externos, fue muy positiva”.

Destacó un punto: “Si vemos la propuesta original que escribimos y lo comparamos con la investigación que estamos haciendo ahora, diría que en todos los grupos o en la mayoría, hay nuevas líneas de investigación que vienen a enriquecer la propuesta original. Lo de las inyecciones sin aguja, lo de los calentadores que hace Juan Hernández, no estaban considerados en la propuesta original; lo de la infección bacteriana tampoco lo teníamos considerado originalmente. Como que cada grupo ha ido identificando nuevas líneas que se derivan de la propuesta original y que van a enriquecer el concepto de Ventanas al Cerebro, y que además abren nuevas líneas de investigación que van a trascender más allá del proyecto. Porque van a dar oportunidad a nuevos estudiantes a hacer sus tesis tanto de maestría como de doctorado, que a su vez van a generar más publicaciones y que pueden dar origen a otras propuestas que se pueden someter a nuevas convocatorias para ir ampliando esto”.