La innovación de resonancia magnética revela la actividad energética de las células en órganos y tejidos

Para sobrevivir, cada célula del cuerpo dedica una enorme energía a mantener el equilibrio adecuado de agua y electrolitos esenciales. Investigadores de la Universidad de Ciencias y Salud de Oregón han desarrollado una forma de usar imágenes de resonancia magnética, o MRI, para mapear esta actividad con gran detalle en el cerebro humano y otros órganos.

La innovación, llamada imagen de difusión de actividad metabólica, o MADI, está abriendo nuevas posibilidades para detectar cánceres y revelar si un tumor está respondiendo al tratamiento. En los próximos ensayos clínicos que reclutarán sujetos con tumores cerebrales de glioma, los investigadores compararán MADI con la tomografía por emisión de positrones, o PET, que utiliza agentes radiactivos inyectados para crear imágenes de las tasas de producción de energía celular.

«MADI es una nueva forma de crear imágenes de la actividad metabólica dentro de los órganos y tejidos con alta resolución espacial, y es totalmente no invasivo», dijo el inventor Charles Springer, Ph.D., profesor del Centro de Investigación de Imágenes Avanzadas de OHSU. «En principio, este método podría aplicarse a casi cualquier patología. En este momento, lo estamos impulsando en la dirección del cáncer y la neurociencia».

En un modelo animal con ratas, los investigadores de OHSU ya han demostrado que MADI puede detectar y controlar tumores cerebrales con la misma eficacia que el PET, pero sin necesidad de inyectar trazadores ni agentes de contraste de ningún tipo.

«Nos dice más sobre lo que sucede dentro de las células con respecto al transporte de iones, el transporte de agua, la producción de energía, por lo que creemos que definitivamente será útil en el cáncer y otras enfermedades», dijo Martin Pike, Ph.D., profesor asociado. con el Centro de Investigación de Imágenes Avanzadas de OHSU, que lidera los estudios de glioma.

MADI también proporciona imágenes de mayor resolución que PET. «Puede resolver regiones de actividad metabólica dentro del tumor», dijo Springer. «Ninguno de los métodos clínicos actuales utilizados para mapear la actividad metabólica tiene la resolución espacial necesaria para medir las variaciones en el metabolismo dentro de los tumores más grandes».

Ramón Barajas, MD, profesor asociado de radiología diagnóstica en la Escuela de Medicina de OHSU, quien colabora en los estudios de glioma, señala que ayudar a descubrir cómo funcionan las diferentes partes de un tumor puede ser muy útil para hacer un diagnóstico.

Descubriendo mecanismos moleculares

La resonancia magnética funciona mediante el uso de un poderoso campo magnético para crear vistas extremadamente detalladas de los órganos internos. El campo magnético hace que los núcleos de los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua se alineen con el campo. Luego, el escáner de resonancia magnética emite pulsos de ondas de radio a una frecuencia resonante. En respuesta, los núcleos de hidrógeno magnetizados vuelven a emitir ondas de radio, creando señales que son captadas por el escáner de resonancia magnética para crear imágenes.

MADI se basa en una técnica llamada resonancia magnética ponderada por difusión, que rastrea el movimiento de las moléculas de agua a través de los tejidos. Desde la década de 1990, la resonancia magnética ponderada por difusión se ha utilizado ampliamente en medicina, en particular para la obtención de imágenes del cerebro para detectar lesiones por accidentes cerebrovasculares y controlar el tratamiento. La técnica ofrece resultados rápidos e informativos sin necesidad de inyectar agentes de contraste. También está resultando útil para detectar y estudiar tumores y otros procesos patológicos.

Pero los científicos no habían entendido completamente los mecanismos moleculares que gobiernan cómo las moléculas de agua se mueven a través de los tejidos y causan los cambios que se convierten en señales visibles de accidentes cerebrovasculares y tumores en la resonancia magnética de difusión.

Springer y sus colegas persiguieron la idea de que las membranas celulares desempeñan un papel importante al controlar activamente el movimiento de las moléculas de agua dentro y fuera de las células. Su investigación mostró que la probabilidad de que las moléculas de agua crucen las membranas celulares está dictada en gran medida por enzimas críticas llamadas bombas de sodio y potasio. Estos atraviesan las membranas celulares y bombean sodio y potasio, un proceso que también impulsa el transporte de moléculas de agua.

«Pudimos darnos cuenta, al aprender que el intercambio de agua está relacionado con la actividad de la bomba, que podíamos hacer imágenes de resonancia magnética que mapearan la actividad de las bombas de sodio y potasio», dijo Springer.

Expertos independientes lo llamaron una «hipótesis mecanicista convincente» en un editorial publicado junto con dos artículos en RMN en Biomedicina.

Medición de la energía celular por primera vez

Los investigadores utilizaron modelos matemáticos y simulaciones por computadora para generar información sobre el movimiento de las moléculas de agua para calcular y mapear la actividad de la bomba de sodio y potasio. Esa actividad es tan crucial para las células vivas que sirve como medida de la tasa de uso continuo de energía.

«Es como una bombilla, siempre encendida, que te dice cuánta energía está produciendo la célula a partir de la descomposición del azúcar, la glucosa y otros nutrientes», dijo Springer. Nunca ha sido posible medir esta actividad en los seres vivos, hasta ahora.

El cáncer altera drásticamente el uso de energía en las células, y eso es claramente visible en los estudios MADI que utilizan un modelo animal de tumores cerebrales de glioma. «En los animales, hemos podido detectar el cáncer, monitorear el cáncer y monitorear el tratamiento, así como la PET», dijo Pike. «Esperamos poder demostrar eso también en humanos».

Barajas, el neurorradiólogo, advirtió que queda mucha ciencia por hacer. «Realmente tenemos que validar esto y asegurarnos de que lo que estamos haciendo sea biológicamente correcto».

Dijo que un método de escaneo más detallado y preciso beneficiaría enormemente a los pacientes con tumores cerebrales. «Si nos equivocamos y detenemos una terapia que realmente funciona, los enviamos al quirófano para una cirugía que no necesariamente es necesaria», dijo. «Cuando nos equivocamos y el tumor está creciendo y decimos que no, evitamos que ese paciente reciba una nueva terapia antes».

Imágenes más rápidas, menos costosas y más accesibles

El ensayo clínico planificado tiene como objetivo reclutar a unos 12 adultos con tumores cerebrales de glioma. Sus cerebros se escanearán con el escáner híbrido PET/MRI en OHSU, el primero en el noroeste del Pacífico cuando se instaló en 2021. El escáner híbrido permitirá comparar directamente el rendimiento de PET versus la técnica MADI en sujetos humanos.

Si MADI resulta eficaz, podría tener una serie de beneficios para los pacientes. El procedimiento no es invasivo y consume menos tiempo que el PET, ya que toma minutos en lugar de horas. Es probable que sea menos costoso y esté más disponible que el PET.

Y, MADI se puede hacer usando un equipo de resonancia magnética convencional.

«Las imágenes PET son el estándar de atención, pero el acceso de los pacientes está bastante limitado a las áreas urbanas», dijo Barajas. «Creo que la capacidad de hacer MADI como otra secuencia de resonancia magnética estándar realmente abriría el acceso a estas imágenes a muchos más pacientes que no viven en los centros urbanos».