Nuevas técnicas de imagen para la investigación de enfermedades respiratorias

2011/06/01 Artaetxebarria Artieda, Xabier - Telekomunikazio-ingeniaria Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Para analizar la imagen a través de programas de ordenador se pueden diferenciar las diferentes partes del pulmón. En este ejemplo, obtenido a partir de una imagen micro-CT, el azul sólido representa las vías respiratorias y en rojo el volumen afectado por el enfisema. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

Los pulmones son un órgano básico para los animales que respiran aire, incluidos los seres humanos. Las enfermedades pulmonares suelen tener una gran influencia en todo el cuerpo, ya que dificultan el intercambio de oxígeno que las células necesitan para obtener energía y de dióxido de carbono, residuo de la respiración.

En los países ricos, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (del inglés chronic buxctive pulmonary disease , COPD) es la enfermedad pulmonar que más muertes produce, al margen de las infecciones. Esta enfermedad limita el flujo de aire y está relacionada con la bronquitis crónica y el enfisema. La bronquitis es la inflamación de las vías respiratorias y el enfisema provoca la degradación de los tejidos pulmonares. Por otro lado, en los países más pobres, las infecciones pulmonares son la principal causa de muerte, por encima de cualquier otra enfermedad. Además, el cáncer más mortal del mundo es el pulmón.

Al igual que cualquier otra enfermedad, existen varias posibilidades de investigación sobre este tema. Por un lado, se puede hacer a nivel celular. Los últimos desarrollos en genética, proteómica, etc. permiten estudiar los componentes moleculares y microscópicos de la enfermedad. Por otro lado, también se pueden realizar estudios a nivel clínico, por ejemplo, aplicando diferentes tratamientos a diferentes grupos de pacientes y analizando los resultados. Sin embargo, ambos métodos tienen sus limitaciones. Aunque las investigaciones celulares pueden tener una gran precisión, no explican la interacción entre células y tejidos de todo el cuerpo. Y los estudios realizados en la fase clínica plantean problemas éticos tangibles, como la no administración de un medicamento que pueda beneficiar a un grupo de pacientes o la demostración de terapias potencialmente dañinas. Para llenar el vacío entre ambos métodos, se suelen realizar ensayos con animales. Así, de 1901 a 2006, el 76% de los ganadores del Premio Nobel de Medicina utilizaron animales en sus investigaciones.

El uso de ratones, ratas, etc. antes de pasar a la fase clínica facilita muchas pruebas, pero por supuesto, los problemas éticos no desaparecen del todo. Por ello, en inglés se aplica el llamado "principio de tres R": reducir en la medida de lo posible el uso de animales ( reduce ), sustituirlo por otras técnicas que puedan dar la misma información ( replace ) y afinar el trato que se da a los animales ( refine ).

En este contexto, las nuevas técnicas de imagen tienen mucho que decir. Las técnicas de resonancia magnética de alta resolución o escáner basado en rayos X (denominada micro-CT) permiten, entre otras cosas, analizar el cuerpo de los animales pequeños sin causar dolor en ellos, que es lo que se denomina refinar el trato. Además, al no tener que matar animales en los experimentos, se puede reducir considerablemente el número de animales utilizados. El micro-ct es especialmente apropiado para el estudio de pulmones de pequeños animales, con una resolución aproximada de 50 m (0,05 mm), además de mostrar un gran contraste entre los tejidos pulmonares y el aire.

Técnica de dibujo o cómo obtener una imagen pulmonar de un ratoncito

Los micro-cts de alta definición se han desarrollado principalmente en las últimas décadas, pero su principal principio es el XX. Conocido desde principios del siglo XX. En el primer paso se realizan diversas radiografías del objeto que se pretende estudiar, formando una circunferencia desde varios ángulos y alrededor del objeto. Posteriormente, estas radiografías deben ser procesadas por ordenador para obtener una imagen tridimensional de la estructura interna del objeto. Cuantas más radiografías hagas en el primer paso, más recta será la imagen final.

Para acceder al escáner los animales suelen estar anestesiados, pero los movimientos respiratorios pueden causar problemas, especialmente en las imágenes pulmonares. De hecho, si en cada radiografía los pulmones se encuentran en una posición diferente, la imagen tridimensional procesada por el ordenador tendrá poca precisión, ya que de alguna manera mostrará pulmones aproximados. Para evitarlo hemos desarrollado una técnica de sincronización respiratoria e imagen que consiste en conectar al animal a un respirador una vez anestesiado. Para ello se introduce un catéter en la tráquea del ratón, que es más estrecha que un milímetro. Para facilitar la operación utilizamos iluminación con fibra óptica en el interior del catéter.

Seguimiento del enfisema. Para analizar el impacto de la elastasa se ha realizado el seguimiento de un grupo de ratón en las primeras horas y días del desarrollo del enfisema. Cada columna representa un momento concreto del desarrollo. En la primera fila aparecen las secciones micro-CT con el enfisema en rojo. En las dos líneas siguientes se muestran las figuras 3D, por delante y por detrás, y finalmente las imágenes microscópicas. En ellos se observa cómo el enfisema actúa sobre el alveolado. En general, nuestro experimento demuestra que es posible realizar un seguimiento del desarrollo del enfisema mediante micro-CT sin la muerte de animales. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

Cuando el animal está conectado al respirador, se puede acceder al escáner. Para evitar que el movimiento pulmonar afecte a la imagen, es necesario sincronizar el respirador y el escáner. Mediante una señal eléctrica se consigue que las radiografías se realicen únicamente en el momento en que los pulmones están llenos. Así, en todas las radiografías extraídas de diferentes ángulos los pulmones están en el mismo estado y la imagen tridimensional calculada en el ordenador tendrá una resolución mucho mejor.

Técnicas de estudio de la imagen o cómo medir la incidencia de una enfermedad en la imagen pulmonar de un ratoncito

Observando las imágenes de los pulmones de los animales podemos obtener información importante. Pero en un experimento normalmente se buscan diferencias entre dos o más grupos: por ejemplo, si un tratamiento ha frenado o, al menos, ha ralentizado el desarrollo de una enfermedad. En este tipo de investigaciones es muy útil disponer de datos cuantitativos y objetivos que permitan una comparación equitativa. Por tanto, es muy importante obtener medidas objetivas a partir de imágenes. Para ello hemos utilizado el diagnóstico por ordenador. Hemos desarrollado varios algoritmos para obtener, paso a paso, medidas que indican el estado de los pulmones a partir de la imagen inicial.

Antes de realizar una medición, se deben separar los apartados que nos interesan mediante un proceso denominado segmentación. En este caso, es conveniente segmentar en la figura los pulmones y las vías respiratorias para poder realizar mediciones sobre ellas. En el caso de las vías respiratorias hemos desarrollado un algoritmo basado en el crecimiento de campo. El programa de ordenador es capaz de localizar automáticamente la tráquea y desde allí va siguiendo las vías respiratorias hasta detectar todo el árbol bronquial. Hemos desarrollado un nuevo programa de separación de pulmones que busca en varios pasos una zona oscura en el centro de la imagen. Para valorar estas técnicas automáticas, las comparamos con las segmentaciones manuales.

Cuando en la imagen están separadas e identificadas las vías respiratorias y los pulmones, se pueden realizar mediciones. Las vías respiratorias permiten la medición automática de los diámetros bronquiales. En los pulmones las medidas más interesantes son el volumen y la intensidad, ya que la intensidad de las imágenes micro-CT (la luminosidad de cada píxel) está relacionada con el contenido de aire. Cuanto más oscuro, más aire. Así, los pulmones inflamados suelen tener una intensidad elevada y los de enfisema baja, ya que la degradación de los tejidos característicos de la enfermedad produce una mayor proporción de aire.

Experimentos o cómo aplicar estas nuevas técnicas a experimentos reales

Las técnicas desarrolladas para obtener imágenes precisas de los pulmones de los ratones y obtener medidas objetivas de los mismos tienen una aplicación práctica, ya que además de reducir el uso y el trato de los animales en los experimentos de estudio de enfermedades, ofrecen una información rica. Para demostrarlo, realizamos diferentes experimentos, sobre todo con dos enfermedades: la inflamación crónica pulmonar y el enfisema.

Existen diversas técnicas para provocar en el ratón una inflamación pulmonar crónica. Uno de ellos está relacionado con la silicosis que se produce en los seres humanos y consiste en introducir cristales de sílice en los pulmones del animal. Esto provoca un proceso inflamatorio crónico de varias fases. Por primera vez en todo el mundo, hemos utilizado la técnica micro-CT y el análisis de imagen automático para describir este patrón de enfermedad, obteniendo nuevos datos de desarrollo. En resumen, encontramos que la inflamación estrecha las vías respiratorias y que la proporción de inflamación del pulmón aumenta durante varios meses.

Seguimiento de la inflamación. Seguimiento mediante micro-CT de un grupo de ratón con inflamación debida a cristales de sílice para estudiar el desarrollo de la enfermedad. En cada columna aparece un punto de desarrollo: inicio, 4 semanas, 14 semanas y 34 semanas. En la primera fila se observa la segmentación obtenida de la figura micro-CT: vías respiratorias en amarillo, pulmón en azul y volumen inflamatorio en rojo. En la segunda fila se muestran las figuras de microscopio obtenidas en el mismo punto del desarrollo de la enfermedad, con teñido de hematoxilina-eosina. Todas las técnicas permiten apreciar el aumento de la superficie de la zona inflamada. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

En el caso del enfisema, la enfermedad se produjo a través de una elastasa que deshace los tejidos pulmonares. En trabajos anteriores, varios investigadores demostraron que se podía utilizar la técnica micro-CT para estudiar el desarrollo del enfisema, pero no estaba prácticamente comparada con otras técnicas. Nosotros hemos realizado una amplia investigación utilizando diferentes técnicas a la vez, y hemos descubierto que el micro-cts muestra con gran precisión el desarrollo de la enfermedad sin la muerte de los animales.

Conclusión o qué hemos aprendido con todo esto

Las enfermedades pulmonares causan muchas muertes en todo el mundo. En nuestro trabajo hemos desarrollado técnicas para poder investigarlas mejor utilizando pequeños roedores. Por un lado, hemos desarrollado un método para obtener imágenes pulmonares de alta precisión mediante rayos X, sincronizando la respiración artificial con las radiografías. Por otro lado, hemos desarrollado programas automáticos de ordenador para el análisis de estas imágenes, con el fin de poder obtener medidas objetivas. La utilidad de estas técnicas se ha demostrado en diferentes experimentos.

Acelerando los experimentos con animales, refinando y obteniendo una información más rica, estas técnicas facilitarán el paso de los tratamientos curativos de las enfermedades pulmonares desde el laboratorio a la fase clínica.

BIBLIOGRAFÍA