Un equipo de Columbia Engineering ha desarrollado una tecnología que podría reemplazar las biopsias y la histología convencionales con imágenes en tiempo real dentro de un cuerpo vivo. Descrito en un artículo publicado en Nature Biomedical Engineering, MediSCAPE, es un microscopio 3D de alta velocidad capaz de capturar imágenes de estructuras tisulares que podrían guiar a los cirujanos para navegar por los tumores y sus límites sin necesidad de extirpar tejidos y esperar los resultados de la patología.
Para muchos procedimientos médicos, particularmente la cirugía y la detección del cáncer, es común que los médicos tomen una biopsia, cortando pequeños trozos de tejido para poder observarlos más de cerca con un microscopio. “La forma en que se procesan las muestras de biopsia no ha cambiado en 100 años, se cortan, se fijan, se incrustan, se cortan, se tiñen, se colocan en un portaobjetos de vidrio y un patólogo las observa con un microscopio simple. Es por eso que puede llevar días recibir noticias sobre su diagnóstico después de una biopsia”, dice Elizabeth Hillman, profesora de ingeniería biomédica y radiología en la Universidad de Columbia y autora principal del estudio.
Nuevas posibilidades
El grupo de Hillman soñaba con una alternativa audaz y se preguntaba si podrían capturar imágenes del tejido mientras aún se encuentra dentro del cuerpo. “Tal tecnología podría brindarle al médico información en tiempo real sobre qué tipo de tejido está mirando sin la larga espera”, explica y agrega: “esta respuesta instantánea les permitiría tomar decisiones informadas sobre la mejor manera de extirpar un tumor y asegurarse de que no quede ninguno”.
Otro beneficio importante del enfoque es que cortar tejido, solo para descubrir qué es, es una decisión difícil para los médicos, especialmente para tejidos preciosos como el cerebro, la médula espinal, los nervios, el ojo y áreas de la cara. Esto significa que los médicos pueden pasar por alto áreas importantes de la enfermedad. “Debido a que podemos obtener imágenes del tejido vivo, sin cortarlo, esperamos que MediSCAPE haga que esas decisiones sean una cosa del pasado”, declaró Hillman.
Aunque algunos microscopios para guía quirúrgica ya se encuentran disponibles, solo brindan a los médicos una imagen de un plano 2D pequeño y único, es algo que dificulta examinar rápidamente áreas más grandes de tejido e interpretar los resultados. Estos microscopios generalmente también requieren que se inyecte un tinte fluorescente en el paciente, lo que lleva tiempo y puede limitar su uso para ciertas personas.
Antecedentes
Durante la última década, Hillman, quien también es profesor de Herbert y Florence Irving en el Zuckerman Mind Brain Behavior Institute de Columbia, han estado desarrollando nuevos tipos de microscopios para la investigación en neurociencia que pueden capturar imágenes 3D muy rápidas de muestras vivas como son pequeños gusanos, peces y moscas que permiten observar cómo las neuronas a lo largo de sus cerebros y cuerpos se disparan cuando se mueven. El equipo decidió probar si su tecnología, denominada SCAPE (Swept Confocally Aligned Planar Excitation microscopy, microscopía de excitación plana alineada confocalmente barrida) podría ver algo útil en tejidos de otras partes del cuerpo.
“Uno de los primeros tejidos que observamos fue riñón de ratón fresco, y nos sorprendió ver hermosas estructuras que se parecían mucho a las que se obtienen con la histología estándar“, menciona Kripa Patel, recientemente graduada de doctorado del laboratorio de Hillman y también autora del estudio. “Lo más importante es que no agregamos ningún tinte al ratón, todo lo que vimos fue fluorescencia natural en el tejido que generalmente es demasiado débil para ver. Nuestro microscopio es tan eficiente que pudimos ver bien estas señales débiles, a pesar de que también estábamos tomando imágenes de volúmenes 3D completos a velocidades lo suficientemente rápidas como para moverse en tiempo real, escaneando diferentes áreas del tejido como si estuviéramos sosteniendo una linterna”.
Mientras “deambulaba“, Patel podía incluso unir los volúmenes adquiridos y convertir los datos en grandes representaciones en 3D del tejido que un patólogo podía examinar como si fuera una caja llena de portaobjetos de histología.
“Esto era algo que no esperaba: que realmente pudiera ver estructuras en 3D desde diferentes ángulos“, dice la Dra. Shana Coley, patóloga renal del Centro Médico de la Universidad de Columbia que colaboró estrechamente en el estudio. “Encontramos muchos ejemplos en los que no habríamos podido identificar una estructura de una sección 2D en una diapositiva de histología, pero en 3D pudimos ver claramente su forma. En patología renal en particular, donde trabajamos rutinariamente con cantidades muy limitadas de tejido, cuanta más información podamos derivar de la muestra, mejor para brindar una atención más efectiva al paciente”.
Demostración
El equipo demostró las capacidades de MediSCAPE para una amplia gama de aplicaciones, desde el análisis del cáncer de páncreas en un ratón, hasta el interés de Coley en la evaluación rápida y no destructiva de órganos humanos trasplantados, como los riñones. Coley ayudó al equipo a obtener muestras frescas de riñones humanos para demostrar que MediSCAPE podía detectar signos reveladores de enfermedad renal que coinciden correctamente con las imágenes histológicas convencionales.
Observando efectos a nivel celular
El equipo también se dio cuenta de que al tomar imágenes de los tejidos mientras están vivos en el cuerpo, es posible obtener más información que a partir de biopsias extirpadas sin vida. Descubrieron que en realidad podían visualizar el flujo de sangre a través de los tejidos y ver los efectos a nivel celular de la isquemia y la reperfusión (cortar el suministro de sangre al riñón y luego dejar que fluya de nuevo).
“Comprender si los tejidos se mantienen saludables y si obtienen un buen suministro de sangre durante los procedimientos quirúrgicos es realmente importante”, comenta Hillman. “También nos dimos cuenta de que si no tenemos que quitar (y matar) los tejidos para mirarlos, podemos encontrar muchos más usos para MediSCAPE, incluso para responder a preguntas simples como ‘¿qué tejido es este?’ o para navegar alrededor de los preciosos nervios. Ambas aplicaciones son realmente importantes para las cirugías robóticas y laparoscópicas, donde los cirujanos tienen una limitada capacidad para identificar e interactuar con los tejidos directamente”.
Un último paso crítico para el equipo fue reducir el gran formato de los microscopios SCAPE estándar en el laboratorio de Hillman a algo que pudiera usarse en una sala de operaciones y ser utilizado por un cirujano en el cuerpo humano. El becario postdoctoral Wenxuan Liang trabajó con el equipo para desarrollar una versión más pequeña del sistema con un mejor factor de forma y una tapa de imagen estéril. El candidato a doctorado Malte Casper ayudó a obtener la primera demostración de MediSCAPE del equipo en un humano vivo, recopilando imágenes de una variedad de tejidos dentro y alrededor de la boca. Estos resultados incluyeron imágenes rápidas mientras un voluntario literalmente lamía el extremo de la sonda de imágenes, produciendo vistas detalladas en 3D de las papilas de la lengua.
Siguiente paso
Ansioso por llevar esta tecnología al siguiente nivel con un ensayo clínico más grande, el equipo está trabajando actualmente en la comercialización y aprobación de la FDA. Hillman asegura “estamos tan sorprendidos de ver lo que MediSCAPE revela cada vez que lo usamos en un nuevo tejido, y especialmente que casi nunca necesitábamos agregar tintes o tinciones para ver estructuras que los patólogos pueden reconocer“.
Hillman y su equipo esperan que MediSCAPE permita hacer que la histología estándar sea una cosa del pasado, poniendo el poder de la histología en tiempo real y la toma de decisiones en manos del cirujano.
Referencias
- Kripa B. Patel, Wenxuan Liang, Malte J. Casper, Venkatakaushik Voleti, Wenze Li, Alexis J. Yagielski, Hanzhi T. Zhao, Citlali Perez Campos, Grace Sooyeon Lee, Joyce M. Liu, Elizabeth Philipone, Angela J. Yoon, Kenneth P. Olive, Shana M. Coley & Elizabeth M. C. Hillman; High-speed light-sheet microscopy for the in-situ acquisition of volumetric histological images of living tissue; Nature Biomedical Engineering; publicado el 28 de marzo de 2022; DOI: 10.1038/s41551-022-00849-7; Disponible en el URL https://www.nature.com/articles/s41551-022-00849-7
