Imagen molecular

La Imagen Molecular es una nueva disciplina de diagnóstico por la imagen in vivos
Sondas moleculares son enviadas contra dianas biológicas específicas, con el fin de obtener una imagen que permita estudiar procesos celulares y/o moleculares.
Múltiples disciplinas forman parte de Imagen Molecular:
Biofísica
Resonancia Magnética
Ingeniería Biológica
Farmacología, Bioquímica
Biología molecular etc.

En Imagen Molecular, científicos y médicos trabajan conjuntamente con un interés común: la fusión de las técnicas moleculares y de biología celular más modernas con la tecnología punta en imagen no invasiva

Para ello, expertos en Imagen Molecular tienen que aprender el lenguaje aropiado.
Para facilitar este período de transición han sido publicados diferentes glosarios de terminología de Imagen Molecular.
Las innovaciones en pruebas in vitro y traducirlas a in vivo
Wagenaar DJ, Weissleder R, Hengerer A. Glossary of molecular imaging terminology. Acad Radiol. 2001;8:409-20.
Modus operandi de la Imagen Molecular: la rápida transformación de técnicas de Biología celular y molecular desde el campo in vitro al in vivo con una rápida valoración en mamíferos de pequeño tamaño permitirá una rápida traducción de nuevas sondas moleculares al área clínica para su uso en diagnóstico por la imagen y tratamiento.

La Imagen Molecular tentativaemnte lograr importantes metas en la investigación biomédica:
a) Monitorización de múltiples procesos moleculares casi simultáneamente
b) Desarrollo de técnicas de imagen no invasiva in vivo que reflejen procesos celulares y moleculares claves y a la vez específicos de una enfermedad determinada (por ejemplo interacciones entre proteínas
c) Seguimiento in vivo de tráfico celular y sondas moleculares
d) Optimización de fármacos y terapias génicas
e) Monitorización de los efectos terapéuticos, ambientales, experimentales y tiempo-dependientes de productos genéticos en un mismo animal o paciente
f) Obtención de imágenes que permitan caracterizar/analizar los efectos terapéuticos de fármacos a nivel molecular, casi inmediatamente tras el inicio terapéutico
g) Identificación temprana de fármacos prometedores en la industria farmacéutica, proporcionando de esta manera un importante ahorro en tiempo y dinero
h) Obtención de imágenes de “pre-enfermedad”, lo que aceleraría el desarrollo de tratamientos más precoces e incrementaría las posibilidades de éxito terapéutico, e
i) Logro de todas estas metas de una manera rápida, reproducible y cuantitativa.

TÉCNICAS DE IMAGEN MOLECULAR
Diferentes técnicas de Imagen Molecular se unen en esta sola disciplina con un fin común:
Tomografía por emisión de positrones (PET)
Tomografía por emisión de fotón único (SPET)
Autorradiografía digital
Resonancia magnética
Resonancia magnética con espectroscopia
Bioluminescencia óptica, fluorescencia óptica
Ecografía
No obstante, todavía hay retos que necesitan ser resueltos, como: el tratar de obtener una imagen de un ratón que pesa 30 g y compararla con la de un humano que pesa 70 kg, diferencias en tamaño y volumen, la resolución espacial necesaria para obtener datos anatómicos y/o funcionales de utilidad, y el tiempo necesario para la adquisición de las imágenes
Weissleder R, Mahmood U. Molecular imaging. Radiology. 2001;219:316-33.

Las diferentes técnicas de imagen que existen en la actualidad se diferencian entre sí en 5 aspectos principales
La mayoría de las técnicas de Imagen Molecular utilizan la detección de radiación electromagnética para obtener imágenes de un modo no invasivo. Cada técnica se especializa en la detección de una porción específica del espectro de radiación, dependiendo de la longitud de onda y de la frecuencia de las ondas
1. Resolución temporal y espacial
2. Profundidad de penetración
3. Tipo de radiación empleada en la generación de imágenes (ionizante/no ionizante) dependiendo de la parte del espectro de radiación electromagnética utilizada
4. Disponibilidad de sondas moleculares inyectables y/o biocompatibles
5. Límites de detección.

Imagen obtenida con radiotrazadores
Tomografía por emisión de positrones para animales de pequeño tamaño (microPET)
Se caracteriza por detectar fotones de alta energía (511 KeV), y gran penetración, que provienen del interior de un sujeto vivo. Esto es posible gracias a la administración de trazadores que se caracterizan por emitir positrones debido a un exceso de protones en el núcleo, los cuales después de un corto recorrido se aniquilan con un electrón próximo y producir dos fotones con un angulo de 180 entre ellos, la detección casi simultanea de ambos rayos gamma define una línea de respuesta en el espacio (colimación temporal) cámaras de microPET tienen una resolución espacial de aprox. 2 mm..

MicroPET

Imagen obtenida con radiotrazadores
Autorradiografía
Los isótopos emisor beta (por ejem. 3-H y 14-C) no pueden ser utilizados en imagen no invasiva ya que las partículas beta (electrones) tienen un recorrido corto y no atraviesasn el cuerpo.y no pueden ser detectadas desde el exterior. Sin embargo, estos isótopos son esenciales para la obtención de imágenes autorradiográficas.
La imagen autorradiográfica es la “imagen metabólica a nivel microscópico” y proporciona imágenes sin igual de pequeños focos de actividad metabólica a nivel tisular e incluso celular (autorradiografía digital). Aunque no es una técnica utilizada en sujetos vivos, es de gran importancia como complemento y confirmación de las imágenes no invasivas obtenidas mediante el uso de radiotrazadores.
Autorradiografía de la 2ª generación de Replicación con TH3
Autorradiografía de un corte de médula espinal y sus cubiertas. La radiactividad se encuentra en la aracnoides y en la piamadre medular (x 3)

Imagen obtenida con radiotrazadores
Los emisores gamma
99m-Tc, 111-In, 123-I, 131-I. Son utilizados rutinariamente para la obtención de imágenes funcionales de sujetos vivos, la gammacámara. Es el detector. Imágenes tomográficas se pueden obtener mediante técnicas de microSPECT (tomografía computarizada por emisión de fotón único) en animales de pequeño tamaño, en la cual, uno o varios detectores giran 360° alrededor del sujeto vivo.
La colimación espacial es necesaria en microSPECT ya que al pequeño tamaño de los sujetos, son recuentemente utilizados colimadores con pin-hole, lo que permite obtener imágenes tomográficas de SPECT con una resolución espacial < 1mm.

Felix Bloch y Edward Porcell, recibieron el Premio Nóbel de Física en 1952 por descubrir la resonancia magnética nuclear.

Espetro normal del cerebro

(Gp:)

La resonancia magnética (RMN) es un fenómeno físico por el cual ciertas partículas como los electrones y los núcleos atómicos con un número impar de protones (Z) y/o de neutrones (N) pueden absorber selectivamente energía electromagnética de radiofrecuencia.
       Cuando los núcleos bajo un campo magnético entran en RESONANCIA, absorben energía de radiofrecuencia en un proceso llamado de RELAJACIÓN. Durante este proceso de relajación se induce una señal eléctrica a una antena receptora que tratada convenientemente servirá para obtener la imagen tomográfica en IRM (técnicas de imagen) o para realzar el análisis espectrométrico en SRM.
Imagen por resonancia magnética
Se diferencian dos vertientes de aplicación a la RM:
        - Técnicas de imagen (IRM)
        - Técnicas de análisis espectrométrico (SRM)

(Gp:) Los núcleos, como los electrones o los protones, también tienen espín. El espín es una propiedad mecanocuántica que a veces se asocia al supuesto giro de las partículas. En este sentido una partícula de espín ½ tendría limitadas sus posibles orientaciones para el giro a dos. Cada estado de espín está representado por un vector (amarillo).
En ausencia de campo magnético externo, los espines de una muestra de núcleos están desordenados, no existe, por tanto diferencia energética entre ellos por la orientación que tomen en el espacio.

(Gp:) En presencia de un campo magnético externo Ho la situación cambia. Los espines se orientan en relación a ese campo dando lugar a dos estados diferenciados energéticamente. El menos energético y, por tanto, más favorable es aquél en el que el espín tiene el mismo sentido que Ho (vector verde).
Realmente la situación no es estática, sino que el vector espín (amarillo) gira en torno a la dirección que marca Ho con una frecuencia característica denominada frecuencia de Larmor (?o) que depende de la intensidad del campo magnético aplicado:
?o = ? Ho