Novas técnicas de imaxe paira a investigación de enfermidades respiratorias

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

• Medikuntza
• Teknologia

Paira analizar a imaxe a través de programas de computador pódense diferenciar as diferentes partes do pulmón. Neste exemplo, obtido a partir de una imaxe micro-CT, o azul sólido representa as vías respiratorias e en vermello o volume afectado polo enfisema. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

Os pulmóns son un órgano básico paira os animais que respiran aire, incluídos os seres humanos. As enfermidades pulmonares adoitan ter una gran influencia en todo o corpo, xa que dificultan o intercambio de osíxeno que as células necesitan paira obter enerxía e de dióxido de carbono, residuo da respiración.

Nos países ricos, a enfermidade pulmonar obstructiva crónica (do inglés chronic buxctive pulmonary disease , COPD) é a enfermidade pulmonar que máis mortes produce, á marxe das infeccións. Esta enfermidade limita o fluxo de aire e está relacionada coa bronquite crónica e o enfisema. A bronquite é a inflamación das vías respiratorias e o enfisema provoca a degradación dos tecidos pulmonares. Doutra banda, nos países máis pobres, as infeccións pulmonares son a principal causa de morte, por encima de calquera outra enfermidade. Ademais, o cancro máis mortal do mundo é o pulmón.

Do mesmo xeito que calquera outra enfermidade, existen varias posibilidades de investigación sobre este tema. Por unha banda, pódese facer a nivel celular. Os últimos desenvolvementos en xenética, proteómica, etc. permiten estudar os compoñentes moleculares e microscópicos da enfermidade. Doutra banda, tamén se poden realizar estudos a nivel clínico, por exemplo, aplicando diferentes tratamentos a diferentes grupos de pacientes e analizando os resultados. Con todo, ambos os métodos teñen as súas limitacións. Aínda que as investigacións celulares poden ter una gran precisión, non explican a interacción entre células e tecidos de todo o corpo. E os estudos realizados na fase clínica expoñen problemas éticos tanxibles, como a non administración dun medicamento que poida beneficiar a un grupo de pacientes ou a demostración de terapias potencialmente daniñas. Paira encher o baleiro entre ambos os métodos, adóitanse realizar ensaios con animais. Así, de 1901 a 2006, o 76% dos gañadores do Premio Nobel de Medicamento utilizaron animais nas súas investigacións.

O uso de ratos, ratas, etc. antes de pasar á fase clínica facilita moitas probas, pero por suposto, os problemas éticos non desaparecen do todo. Por iso, en inglés aplícase o chamado "principio de tres R": reducir na medida do posible o uso de animais ( reduce ), substituílo por outras técnicas que poidan dar a mesma información ( replace ) e afinar o trato que se dá aos animais ( refine ).

Neste contexto, as novas técnicas de imaxe teñen moito que dicir. As técnicas de resonancia magnética de alta resolución ou escáner baseado en raios X (denominada micro-CT) permiten, entre outras cousas, analizar o corpo dos animais pequenos sen causar dor neles, que é o que se denomina refinar o trato. Ademais, ao non ter que matar animais nos experimentos, pódese reducir considerablemente o número de animais utilizados. O micro-ct é especialmente apropiado paira o estudo de pulmóns de pequenos animais, cunha resolución aproximada de 50 m (0,05 mm), ademais de mostrar un gran contraste entre os tecidos pulmonares e o aire.

Técnica de debuxo ou como obter una imaxe pulmonar dun ratiño

O micro-cts de alta definición desenvolvéronse principalmente nas últimas décadas, pero o seu principal principio é o XX. Coñecido desde principios do século XX. No primeiro paso realízanse diversas radiografías do obxecto que se pretende estudar, formando una circunferencia desde varios ángulos e ao redor do obxecto. Posteriormente, estas radiografías deben ser procesadas por computador paira obter una imaxe tridimensional da estrutura interna do obxecto. Cantas máis radiografías fagas no primeiro paso, máis recta será a imaxe final.

Paira acceder ao escáner os animais adoitan estar anestesiados, pero os movementos respiratorios poden causar problemas, especialmente nas imaxes pulmonares. De feito, si en cada radiografía os pulmóns atópanse nunha posición diferente, a imaxe tridimensional procesada polo computador terá pouca precisión, xa que dalgunha maneira mostrará pulmóns aproximados. Paira evitalo desenvolvemos una técnica de sincronización respiratoria e imaxe que consiste en conectar ao animal a un respirador unha vez anestesiado. Paira iso introdúcese un catéter na traquea do rato, que é máis estreita que un milímetro. Paira facilitar a operación utilizamos iluminación con fibra óptica no interior do catéter.

Seguimento do enfisema. Paira analizar o impacto da elastasa realizouse o seguimento dun grupo de rato nas primeiras horas e días do desenvolvemento do enfisema. Cada columna representa un momento concreto do desenvolvemento. Na primeira fila aparecen as seccións micro-CT co enfisema en vermello. Nas dúas liñas seguintes móstranse as figuras 3D, por diante e por detrás, e finalmente as imaxes microscópicas. Neles obsérvase como o enfisema actúa sobre o alveolado. En xeral, o noso experimento demostra que é posible realizar un seguimento do desenvolvemento do enfisema mediante micro-CT sen a morte de animais. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

Cando o animal está conectado ao respirador, pódese acceder ao escáner. Paira evitar que o movemento pulmonar afecte á imaxe, é necesario sincronizar o respirador e o escáner. Mediante un sinal eléctrico conséguese que as radiografías se realicen unicamente no momento en que os pulmóns están cheos. Así, en todas as radiografías extraídas de diferentes ángulos os pulmóns están no mesmo estado e a imaxe tridimensional calculada no computador terá una resolución moito mellor.

Técnicas de estudo da imaxe ou como medir a incidencia dunha enfermidade na imaxe pulmonar dun ratiño

Observando as imaxes dos pulmóns dos animais podemos obter información importante. Pero nun experimento normalmente búscanse diferenzas entre dúas ou máis grupos: por exemplo, se un tratamento freou ou, polo menos, retardou o desenvolvemento dunha enfermidade. Neste tipo de investigacións é moi útil dispor de datos cuantitativos e obxectivos que permitan una comparación equitativa. Por tanto, é moi importante obter medidas obxectivas a partir de imaxes. Paira iso utilizamos o diagnóstico por computador. Desenvolvemos varios algoritmos paira obter, paso a paso, medidas que indican o estado dos pulmóns a partir da imaxe inicial.

Antes de realizar una medición, débense separar os apartados que nos interesan mediante un proceso denominado segmentación. Neste caso, é conveniente segmentar na figura os pulmóns e as vías respiratorias paira poder realizar medicións sobre elas. No caso das vías respiratorias habemos desenvolvido un algoritmo baseado no crecemento de campo. O programa de computador é capaz de localizar automaticamente a traquea e desde alí vai seguindo as vías respiratorias até detectar toda a árbore bronquial. Desenvolvemos un novo programa de separación de pulmóns que busca en varios pasos una zona escura no centro da imaxe. Paira valorar estas técnicas automáticas, comparámolas coas segmentaciones manuais.

Cando na imaxe están separadas e identificadas as vías respiratorias e os pulmóns, pódense realizar medicións. As vías respiratorias permiten a medición automática dos diámetros bronquiales. Nos pulmóns as medidas máis interesantes son o volume e a intensidade, xa que a intensidade das imaxes micro-CT (a luminosidade de cada píxel) está relacionada co contido de aire. Canto máis escuro, máis aire. Así, os pulmóns inflamados adoitan ter una intensidade elevada e os de enfisema baixa, xa que a degradación dos tecidos característicos da enfermidade produce una maior proporción de aire.

Experimentos ou como aplicar estas novas técnicas a experimentos reais

As técnicas desenvolvidas paira obter imaxes precisas dos pulmóns dos ratos e obter medidas obxectivas dos mesmos teñen una aplicación práctica, xa que ademais de reducir o uso e o trato dos animais nos experimentos de estudo de enfermidades, ofrecen una información rica. Paira demostralo, realizamos diferentes experimentos, sobre todo con dúas enfermidades: a inflamación crónica pulmonar e o enfisema.

Existen diversas técnicas paira provocar no rato una inflamación pulmonar crónica. Uno deles está relacionado coa silicose que se produce nos seres humanos e consiste en introducir cristais de sílice nos pulmóns do animal. Isto provoca un proceso inflamatorio crónico de varias fases. Por primeira vez en todo o mundo, utilizamos o técnica micro-CT e a análise de imaxe automático paira describir este patrón de enfermidade, obtendo novos datos de desenvolvemento. En resumo, atopamos que a inflamación estreita as vías respiratorias e que a proporción de inflamación do pulmón aumenta durante varios meses.

Seguimento da inflamación. Seguimento mediante micro-CT dun grupo de rato con inflamación debida a cristais de sílice paira estudar o desenvolvemento da enfermidade. En cada columna aparece un punto de desenvolvemento: inicio, 4 semanas, 14 semanas e 34 semanas. Na primeira fila obsérvase a segmentación obtida de figúraa micro-CT: vías respiratorias en amarelo, pulmón en azul e volume inflamatorio en vermello. Na segunda fila móstranse as figuras de microscopio obtidas no mesmo punto do desenvolvemento da enfermidade, con tinguido de hematoxilina-eosina. Todas as técnicas permiten apreciar o aumento da superficie da zona inflamada. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

No caso do enfisema, a enfermidade produciuse a través de una elastasa que desfai os tecidos pulmonares. En traballos anteriores, varios investigadores demostraron que se podía utilizar o técnica micro-CT paira estudar o desenvolvemento do enfisema, pero non estaba practicamente comparada con outras técnicas. Nós realizamos una ampla investigación utilizando diferentes técnicas á vez, e descubrimos que o micro-cts mostra con gran precisión o desenvolvemento da enfermidade sen a morte dos animais.

Conclusión ou que aprendemos con todo isto

As enfermidades pulmonares causan moitas mortes en todo o mundo. No noso traballo desenvolvemos técnicas paira poder investigalas mellor utilizando pequenos roedores. Por unha banda, desenvolvemos un método paira obter imaxes pulmonares de alta precisión mediante raios X, sincronizando a respiración artificial coas radiografías. Doutra banda, desenvolvemos programas automáticos de computador paira a análise destas imaxes, co fin de poder obter medidas obxectivas. A utilidade destas técnicas demostrouse en diferentes experimentos.

Acelerando os experimentos con animais, refinando e obtendo una información máis rica, estas técnicas facilitarán o paso dos tratamentos curativos das enfermidades pulmonares desde o laboratorio á fase clínica.

BIBLIOGRAFÍA