La resonancia magnética (MRI) se ha consolidado como una herramienta fundamental para médicos y científicos que buscan explorar el interior del cuerpo humano. Esta técnica permite obtener imágenes detalladas de músculos, órganos y huesos sin necesidad de procedimientos invasivos. Además, es capaz de monitorizar el flujo sanguíneo y generar mapas de actividad cerebral. Recientemente, bioingenieros del MIT han desarrollado nuevos sensores que amplían las capacidades del MRI al permitir la detección de moléculas específicas en el cerebro y el cuerpo.
En un artículo publicado en la revista Nature Biomedical Engineering, un equipo liderado por Alan Jasanoff, profesor de Ciencias del Cerebro y Comportamiento Humano en el MIT, presenta estos innovadores sensores que pueden modificar la intensidad de las señales de MRI en función de objetivos moleculares específicos. Estos dispositivos están diseñados para amplificar el efecto que cada molécula objetivo tiene sobre la señal del MRI, mejorando drásticamente la sensibilidad en comparación con los sensores previos.
Nuevas perspectivas en la detección molecular
“Nuestro objetivo es poder medir señales químicas distintas como neurotransmisores, neuropeptidos y metabolitos a medida que fluctúan por todo el cerebro”, explica Jasanoff. “Estas sustancias son ingredientes importantes en los cálculos neuronales, y queremos utilizar los tipos de sondas que hemos desarrollado para detectar estas señales de manera dinámica”.
A pesar del potencial del MRI, los investigadores han enfrentado dificultades para detectar moléculas pequeñas en el cerebro debido a su baja concentración. Aunque se pueden diseñar sensores para alterar la intensidad de una señal de MRI ante moléculas específicas, esto requiere grandes cantidades de agentes de contraste. Si cada molécula necesita su propio objetivo para activarse, las bajas concentraciones limitan la visibilidad durante una exploración. “El cambio en la señal que se observa será muy modesto”, advierte Jasanoff. “No permitirá detectar eventos fisiológicos”.
Innovación en nanopartículas liposomales
El equipo de Jasanoff ha superado este obstáculo con sus nuevos sensores, cuyo desarrollo fue liderado por la postdoctorada Sayani Das y el estudiante graduado Jacob Cyert Simon. Para generar un cambio significativo en la señal frente a las moléculas objetivo, diseñaron sondas donde una sola molécula afecta a múltiples agentes de contraste.
Para lograrlo, Das y Simon encapsularon un agente de contraste MRI dentro de diminutas cápsulas llamadas nanopartículas liposomales. Cada nanopartícula contiene numerosas moléculas de gadolinio, un material magnético que intensifica la señal del MRI generada por átomos de hidrógeno en agua. Dentro de estas cápsulas protectoras, el gadolinio no tiene efecto sobre la señal del MRI a menos que las moléculas de agua puedan entrar y salir fácilmente.
Sensores responsivos al objetivo
Las nanopartículas fueron diseñadas con canales acuosos cuyas aperturas dependen de la presencia o ausencia de una molécula objetivo. Cuando estos canales se abren, más agua entra y el gadolinio aumenta la intensidad local del MRI, iluminando esa área durante un escaneo.
Los investigadores han denominado a sus sensores responsivos al objetivo como Liposomal Nanoparticle Reporters, o LisNRs (pronunciados “listeners”). Estas nanopartículas permiten la entrada de agua únicamente en presencia de su molécula objetivo; los canales permanecen bloqueados hasta que encuentran dicha molécula, lo cual desplaza un bloqueador proteico. Una vez desplazado, entra agua y se intensifica la señal del MRI.
Resultados prometedores en experimentos
En experimentos dirigidos por la postdoctorada Miranda Dawson, el equipo utilizó sus LisNRs para detectar biotina en cerebros y cuerpos vivos de ratas, demostrando así los efectos amplificadores del sensor. “Demostramos que podíamos detectar niveles micromolares de biotina con aproximadamente diez veces más sensibilidad que si hubiéramos utilizado un enfoque convencional”, afirma Jasanoff. Además, los modelos sugieren que con más desarrollo podrían alcanzar aún mayores ganancias en sensibilidad.
Los nuevos sensores tienen capacidad para ser administrados sistemáticamente, alcanzando diversos órganos y distribuyéndose por todo el cerebro. Esto les confiere un gran potencial como herramientas para imágenes cerebrales integrales y también para objetivos en el sistema nervioso periférico u otros tejidos.
Próximos pasos hacia nuevas investigaciones
A continuación, se trabajará en ingenierizar LisNRs que respondan a neuroquímicos específicos que Jasanoff y su equipo desean estudiar. “Hay alrededor de 100 neuroquímicos en el cerebro que nos gustaría detectar”, señala Jasanoff. Comenzarán con dopamina y glutamato —dos moléculas importantes y relativamente abundantes— que median las comunicaciones entre neuronas.
Este trabajo cuenta con financiamiento parcial proveniente de diversas instituciones como Lore Harp McGovern y varios centros especializados dentro del MIT.
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