Imagen MolecularImagen Molecular

La Imagen Molecular es una nueva disciplina de diagnóstico por la imagen in vivos

Sondas moleculares son enviadas contra dianas biológicas específicas, con el fin de obtener una imagen que permita estudiar procesos celulares y/o moleculares.Múltiples disciplinas forman parte de Imagen Molecular:

Biofísica Resonancia Magnética Ingeniería Biológica Farmacología, Bioquímica Biología molecular etc.

En Imagen Molecular, científicos y médicos trabajan conjuntamente con un interés común: la fusión de las técnicas moleculares y de biología celular más modernas con la tecnología punta en imagen no invasiva

La Imagen Molecular es una nueva disciplina de diagnóstico por la imagen in vivos

Sondas moleculares son enviadas contra dianas biológicas específicas, con el fin de obtener una imagen que permita estudiar procesos celulares y/o moleculares.Múltiples disciplinas forman parte de Imagen Molecular:

Biofísica Resonancia Magnética Ingeniería Biológica Farmacología, Bioquímica Biología molecular etc.

En Imagen Molecular, científicos y médicos trabajan conjuntamente con un interés común: la fusión de las técnicas moleculares y de biología celular más modernas con la tecnología punta en imagen no invasiva

Para ello, expertos en Imagen Molecular tienen que aprender el lenguaje aropiado.

Para facilitar este período de transición han sido publicados diferentes glosarios de terminología de Imagen Molecular.

Las innovaciones en pruebas in vitro y traducirlas a in vivo

Para ello, expertos en Imagen Molecular tienen que aprender el lenguaje aropiado.

Para facilitar este período de transición han sido publicados diferentes glosarios de terminología de Imagen Molecular.

Las innovaciones en pruebas in vitro y traducirlas a in vivo

Wagenaar DJ, Weissleder R, Hengerer A. Glossary of molecular imaging terminology. Acad Radiol. 2001;8:409-20.Wagenaar DJ, Weissleder R, Hengerer A. Glossary of molecular imaging terminology. Acad Radiol. 2001;8:409-20.

Modus operandi de la Imagen Molecular: la rápida transformación de técnicas de Biología celular y molecular desde el campo in vitro al in vivo con una rápida valoración en mamíferos de pequeño tamaño permitirá una rápida traducción de nuevas sondas moleculares al área clínica para su uso en diagnóstico por la imagen y tratamiento.

Modus operandi de la Imagen Molecular: la rápida transformación de técnicas de Biología celular y molecular desde el campo in vitro al in vivo con una rápida valoración en mamíferos de pequeño tamaño permitirá una rápida traducción de nuevas sondas moleculares al área clínica para su uso en diagnóstico por la imagen y tratamiento.

La Imagen Molecular tentativaemnte lograr importantes metas en la investigación biomédica:

La Imagen Molecular tentativaemnte lograr importantes metas en la investigación biomédica:

a) Monitorización de múltiples procesos moleculares casi simultáneamente

b) Desarrollo de técnicas de imagen no invasiva in vivo que reflejen procesos celulares y moleculares claves y a la vez específicos de una enfermedad determinada (por ejemplo interacciones entre proteínas

c) Seguimiento in vivo de tráfico celular y sondas moleculares

d) Optimización de fármacos y terapias génicas

e) Monitorización de los efectos terapéuticos, ambientales, experimentales y tiempo-dependientes de productos genéticos en un mismo animal o paciente

f) Obtención de imágenes que permitan caracterizar/analizar los efectos terapéuticos de fármacos a nivel molecular, casi inmediatamente tras el inicio terapéutico

g) Identificación temprana de fármacos prometedores en la industria farmacéutica, proporcionando de esta manera un importante ahorro en tiempo y dinero

h) Obtención de imágenes de “pre-enfermedad”, lo que aceleraría el desarrollo de tratamientos más precoces e incrementaría las posibilidades de éxito terapéutico, e

i) Logro de todas estas metas de una manera rápida, reproducible y cuantitativa.

a) Monitorización de múltiples procesos moleculares casi simultáneamente

b) Desarrollo de técnicas de imagen no invasiva in vivo que reflejen procesos celulares y moleculares claves y a la vez específicos de una enfermedad determinada (por ejemplo interacciones entre proteínas

c) Seguimiento in vivo de tráfico celular y sondas moleculares

d) Optimización de fármacos y terapias génicas

e) Monitorización de los efectos terapéuticos, ambientales, experimentales y tiempo-dependientes de productos genéticos en un mismo animal o paciente

f) Obtención de imágenes que permitan caracterizar/analizar los efectos terapéuticos de fármacos a nivel molecular, casi inmediatamente tras el inicio terapéutico

g) Identificación temprana de fármacos prometedores en la industria farmacéutica, proporcionando de esta manera un importante ahorro en tiempo y dinero

h) Obtención de imágenes de “pre-enfermedad”, lo que aceleraría el desarrollo de tratamientos más precoces e incrementaría las posibilidades de éxito terapéutico, e

i) Logro de todas estas metas de una manera rápida, reproducible y cuantitativa.

TÉCNICAS DE IMAGEN MOLECULARTÉCNICAS DE IMAGEN MOLECULAR

Diferentes técnicas de Imagen Molecular se unen en esta sola disciplina con un fin común:Diferentes técnicas de Imagen Molecular se unen en esta sola disciplina con un fin común:

•Tomografía por emisión de positrones (PET)

•Tomografía por emisión de fotón único (SPET)

•Autorradiografía digital

•Resonancia magnética

•Resonancia magnética con espectroscopia

•Bioluminescencia óptica, fluorescencia óptica

•Ecografía

•Tomografía por emisión de positrones (PET)

•Tomografía por emisión de fotón único (SPET)

•Autorradiografía digital

•Resonancia magnética

•Resonancia magnética con espectroscopia

•Bioluminescencia óptica, fluorescencia óptica

•Ecografía

No obstante, todavía hay retos que necesitan ser resueltos, como: el tratar de obtener una imagen de un ratón que pesa 30 g y compararla con la de un humano que pesa 70 kg, diferencias en tamaño y volumen, la resolución espacial necesaria para obtener datos anatómicos y/o funcionales de utilidad, y el tiempo necesario para la adquisición de las imágenes

No obstante, todavía hay retos que necesitan ser resueltos, como: el tratar de obtener una imagen de un ratón que pesa 30 g y compararla con la de un humano que pesa 70 kg, diferencias en tamaño y volumen, la resolución espacial necesaria para obtener datos anatómicos y/o funcionales de utilidad, y el tiempo necesario para la adquisición de las imágenes

Weissleder R, Mahmood U. Molecular imaging. Radiology. 2001;219:316-33.Weissleder R, Mahmood U. Molecular imaging. Radiology. 2001;219:316-33.

Las diferentes técnicas de imagen que existen en la actualidad se diferencian entre sí en 5 aspectos principales

Las diferentes técnicas de imagen que existen en la actualidad se diferencian entre sí en 5 aspectos principales

La mayoría de las técnicas de Imagen Molecular utilizan la detección de radiación electromagnética para obtener imágenes de un modo no invasivo. Cada técnica se especializa en la detección de una porción específica del espectro de radiación, dependiendo de la longitud de onda y de la frecuencia de las ondas

La mayoría de las técnicas de Imagen Molecular utilizan la detección de radiación electromagnética para obtener imágenes de un modo no invasivo. Cada técnica se especializa en la detección de una porción específica del espectro de radiación, dependiendo de la longitud de onda y de la frecuencia de las ondas

1. Resolución temporal y espacial

2. Profundidad de penetración

3. Tipo de radiación empleada en la generación de imágenes (ionizante/no ionizante) dependiendo de la parte del espectro de radiación electromagnética utilizada

4. Disponibilidad de sondas moleculares inyectables y/o biocompatibles

5. Límites de detección.

1. Resolución temporal y espacial

2. Profundidad de penetración

3. Tipo de radiación empleada en la generación de imágenes (ionizante/no ionizante) dependiendo de la parte del espectro de radiación electromagnética utilizada

4. Disponibilidad de sondas moleculares inyectables y/o biocompatibles

5. Límites de detección.

Imagen obtenida con radiotrazadoresImagen obtenida con radiotrazadores

Tomografía por emisión de positrones para animales de pequeño tamaño (microPET)Tomografía por emisión de positrones para animales de pequeño tamaño (microPET)

Se caracteriza por detectar fotones de alta energía (511 KeV), y gran penetración, que provienen del interior de un sujeto vivo. Esto es posible gracias a la administración de trazadores que se caracterizan por emitir positrones debido a un exceso de protones en el núcleo, los cuales después de un corto recorrido se aniquilan con un electrón próximo y producir dos fotones con un angulo de 180 entre ellos, la detección casi simultanea de ambos rayos gamma define una línea de respuesta en el espacio (colimación temporal) cámaras de microPET tienen una resolución espacial de aprox. 2 mm..

Se caracteriza por detectar fotones de alta energía (511 KeV), y gran penetración, que provienen del interior de un sujeto vivo. Esto es posible gracias a la administración de trazadores que se caracterizan por emitir positrones debido a un exceso de protones en el núcleo, los cuales después de un corto recorrido se aniquilan con un electrón próximo y producir dos fotones con un angulo de 180 entre ellos, la detección casi simultanea de ambos rayos gamma define una línea de respuesta en el espacio (colimación temporal) cámaras de microPET tienen una resolución espacial de aprox. 2 mm..

MicroPET

Imagen obtenida con radiotrazadoresImagen obtenida con radiotrazadoresAutorradiografíaAutorradiografía

Los isótopos emisor beta (por ejem. 3-H y 14-C) no pueden ser utilizados en imagen no invasiva ya que las partículas beta (electrones) tienen un recorrido corto y no atraviesasn el cuerpo.y no pueden ser detectadas desde el exterior. Sin embargo, estos isótopos son esenciales para la obtención de imágenes autorradiográficas.

La imagen autorradiográfica es la “imagen metabólica a nivel microscópico” y proporciona imágenes sin igual de pequeños focos de actividad metabólica a nivel tisular e incluso celular (autorradiografía digital). Aunque no es una técnica utilizada en sujetos vivos, es de gran importancia como complemento y confirmación de las imágenes no invasivas obtenidas mediante el uso de radiotrazadores.

Los isótopos emisor beta (por ejem. 3-H y 14-C) no pueden ser utilizados en imagen no invasiva ya que las partículas beta (electrones) tienen un recorrido corto y no atraviesasn el cuerpo.y no pueden ser detectadas desde el exterior. Sin embargo, estos isótopos son esenciales para la obtención de imágenes autorradiográficas.

La imagen autorradiográfica es la “imagen metabólica a nivel microscópico” y proporciona imágenes sin igual de pequeños focos de actividad metabólica a nivel tisular e incluso celular (autorradiografía digital). Aunque no es una técnica utilizada en sujetos vivos, es de gran importancia como complemento y confirmación de las imágenes no invasivas obtenidas mediante el uso de radiotrazadores.

Autorradiografía de la 2ª generación de Replicación con TH3

Autorradiografía de la 2ª generación de Replicación con TH3

Autorradiografía de un corte de médula espinal y sus cubiertas. La radiactividad se encuentra en la aracnoides y en la piamadre medular (x 3)

Autorradiografía de un corte de médula espinal y sus cubiertas. La radiactividad se encuentra en la aracnoides y en la piamadre medular (x 3)

Imagen obtenida con radiotrazadoresImagen obtenida con radiotrazadores

Los emisores gammaLos emisores gamma

99m-Tc, 111-In, 123-I, 131-I. Son utilizados rutinariamente para la obtención de imágenes funcionales de sujetos vivos, la gammacámara. Es el detector. Imágenes tomográficas se pueden obtener mediante técnicas de microSPECT (tomografía computarizada por emisión de fotón único) en animales de pequeño tamaño, en la cual, uno o varios detectores giran 360° alrededor del sujeto vivo.

La colimación espacial es necesaria en microSPECT ya que al pequeño tamaño de los sujetos, son recuentemente utilizados colimadores con pin-hole, lo que permite obtener imágenes tomográficas de SPECT con una resolución espacial < 1mm.

99m-Tc, 111-In, 123-I, 131-I. Son utilizados rutinariamente para la obtención de imágenes funcionales de sujetos vivos, la gammacámara. Es el detector. Imágenes tomográficas se pueden obtener mediante técnicas de microSPECT (tomografía computarizada por emisión de fotón único) en animales de pequeño tamaño, en la cual, uno o varios detectores giran 360° alrededor del sujeto vivo.

La colimación espacial es necesaria en microSPECT ya que al pequeño tamaño de los sujetos, son recuentemente utilizados colimadores con pin-hole, lo que permite obtener imágenes tomográficas de SPECT con una resolución espacial < 1mm.

Felix Bloch y Edward Porcell, recibieron el Premio Nóbel de Física en 1952 por descubrir la resonancia

magnética nuclear.

Espetro normal del cerebro

La resonancia magnética (RMN) es un fenómeno físico por el cual ciertas partículas como los electrones y los núcleos atómicos con un número impar de protones (Z) y/o de neutrones (N) pueden absorber selectivamente energía electromagnética de radiofrecuencia.

       Cuando los núcleos bajo un campo magnético entran en RESONANCIA, absorben energía de radiofrecuencia en un proceso llamado de RELAJACIÓN. Durante este proceso de relajación se induce una señal eléctrica a una antena receptora que tratada convenientemente servirá para obtener la imagen tomográfica en IRM (técnicas de imagen) o para realzar el análisis espectrométrico en SRM.

La resonancia magnética (RMN) es un fenómeno físico por el cual ciertas partículas como los electrones y los núcleos atómicos con un número impar de protones (Z) y/o de neutrones (N) pueden absorber selectivamente energía electromagnética de radiofrecuencia.

       Cuando los núcleos bajo un campo magnético entran en RESONANCIA, absorben energía de radiofrecuencia en un proceso llamado de RELAJACIÓN. Durante este proceso de relajación se induce una señal eléctrica a una antena receptora que tratada convenientemente servirá para obtener la imagen tomográfica en IRM (técnicas de imagen) o para realzar el análisis espectrométrico en SRM.

Imagen por resonancia magnéticaImagen por resonancia magnética

Se diferencian dos vertientes de aplicación a la RM:        - Técnicas de imagen (IRM)        - Técnicas de análisis espectrométrico (SRM)

Se diferencian dos vertientes de aplicación a la RM:        - Técnicas de imagen (IRM)        - Técnicas de análisis espectrométrico (SRM)

Los núcleos, como los electrones o los protones, también tienen espín. El espín es una propiedad mecanocuántica que a veces se asocia al supuesto giro de las partículas. En este sentido una partícula de espín ½ tendría limitadas sus posibles orientaciones para el giro a dos. Cada estado de espín está representado por un vector (amarillo).En ausencia de campo magnético externo, los espines de una muestra de núcleos están desordenados, no existe, por tanto diferencia energética entre ellos por la orientación que tomen en el espacio.

Los núcleos, como los electrones o los protones, también tienen espín. El espín es una propiedad mecanocuántica que a veces se asocia al supuesto giro de las partículas. En este sentido una partícula de espín ½ tendría limitadas sus posibles orientaciones para el giro a dos. Cada estado de espín está representado por un vector (amarillo).En ausencia de campo magnético externo, los espines de una muestra de núcleos están desordenados, no existe, por tanto diferencia energética entre ellos por la orientación que tomen en el espacio.

En presencia de un campo magnético externo Ho la situación cambia. Los espines se orientan en relación a ese campo dando lugar a dos estados diferenciados energéticamente. El menos energético y, por tanto, más favorable es aquél en el que el espín tiene el mismo sentido que Ho (vector verde). Realmente la situación no es estática, sino que el vector espín (amarillo) gira en torno a la dirección que marca Ho con una frecuencia característica denominada frecuencia de Larmor (ωo) que depende de

la intensidad del campo magnético aplicado:

ωo = γ Ho

Si en la situación anterior los núcleos son irradiados con la energía adecuadaΔE = h fo = h ωo /2π

(nótese que la frecuencia de la radiación que aporta esa energía ha de coincidir con la frecuencia de Larmor)se produce el fenómeno de resonancia magnética nuclear. Los espines cambian de una orientación a otra. La frecuencia de excitación requerida cae en la zona de ondas de radio, por ello en la animación se observa un pequeño vector verde perpendicular al campo Ho que representa el campo magnético de la onda electromágnética de excitación empleada. Cuando la frecuencia de las ondas de radio no coincide con la frecuencia de Larmor, los espines no entran en resonancia y no cambian de sentido.Cuanto más intenso es el campo externo Ho, más diferencia de energía existe entre los dos estados de espín y, en consecuencia, más frecuencia ha de tener la radiofrecuencia para que se produzca la resonancia.

Si en la situación anterior los núcleos son irradiados con la energía adecuadaΔE = h fo = h ωo /2π

(nótese que la frecuencia de la radiación que aporta esa energía ha de coincidir con la frecuencia de Larmor)se produce el fenómeno de resonancia magnética nuclear. Los espines cambian de una orientación a otra. La frecuencia de excitación requerida cae en la zona de ondas de radio, por ello en la animación se observa un pequeño vector verde perpendicular al campo Ho que representa el campo magnético de la onda electromágnética de excitación empleada. Cuando la frecuencia de las ondas de radio no coincide con la frecuencia de Larmor, los espines no entran en resonancia y no cambian de sentido.Cuanto más intenso es el campo externo Ho, más diferencia de energía existe entre los dos estados de espín y, en consecuencia, más frecuencia ha de tener la radiofrecuencia para que se produzca la resonancia.

Cuando se aplican adecuadamente dos pulsos como los descritos anteriormente a una muestra de núcleos no homogénea, durante el proceso de decaimiento magnético se produce la emisión de radiofrecuencias por parte de la muestra (eco). Esta señal puede ser captada por el equipo apropiado.

Cuando se aplican adecuadamente dos pulsos como los descritos anteriormente a una muestra de núcleos no homogénea, durante el proceso de decaimiento magnético se produce la emisión de radiofrecuencias por parte de la muestra (eco). Esta señal puede ser captada por el equipo apropiado.

Microtomografía computarizadaMicrotomografía computarizada

Imagen ópticaImagen óptica

BioluminiscenciaBioluminiscencia

Imagen óptica mediante bioluminescencia de un ratón (en color) sobreimpuesta a una fotografía del mismo en escala de grises. Células tumorales linfomatosas con la capacidad de expresar el gen de la luciferasa gracias a las técnicas de ingeniería genética fueron inyectadas de forma intravenosa una semana antes de la obtención de la imagen mostrada. La imagen fue obtenida con una CCD cámara refrigerada tras la administración intravenosa del sustrato coelenterazina.La fotografía muestra infiltración linfomatosa del timo.

Imagen óptica mediante bioluminescencia de un ratón (en color) sobreimpuesta a una fotografía del mismo en escala de grises. Células tumorales linfomatosas con la capacidad de expresar el gen de la luciferasa gracias a las técnicas de ingeniería genética fueron inyectadas de forma intravenosa una semana antes de la obtención de la imagen mostrada. La imagen fue obtenida con una CCD cámara refrigerada tras la administración intravenosa del sustrato coelenterazina.La fotografía muestra infiltración linfomatosa del timo.

Imágenes de bioluminiscencia (izquierda) y gammagrafía (derecha) obtenidas del mismo animal de experimentación (Balb/c ratón) 10 días después de la implantación subcutánea en el hombro derecho de células de cáncer de mama (1 x 104 4T1luc/gfp céls) transducidas con un retrovirus (pMSCV/L2G) que presentaba el gen de la luciferasa. La imagen gammagráfica fue obtenida tras la administración intravenosa de antiVEGF (antifactor de crecimiento vascular endotelial),mostrando la existencia de angiogénesis aberrante en el mismo tumor. Este ejemplo claramente enfatiza la diferencia en actividad de fondo de las dos técnicas de imagen

Imágenes de bioluminiscencia (izquierda) y gammagrafía (derecha) obtenidas del mismo animal de experimentación (Balb/c ratón) 10 días después de la implantación subcutánea en el hombro derecho de células de cáncer de mama (1 x 104 4T1luc/gfp céls) transducidas con un retrovirus (pMSCV/L2G) que presentaba el gen de la luciferasa. La imagen gammagráfica fue obtenida tras la administración intravenosa de antiVEGF (antifactor de crecimiento vascular endotelial),mostrando la existencia de angiogénesis aberrante en el mismo tumor. Este ejemplo claramente enfatiza la diferencia en actividad de fondo de las dos técnicas de imagen

Imagen ópticaImagen ópticaFlourescenciaFlourescencia

                                                

      

Microultrasonidos

• Técnica más usada

• Bajo costo

• Fácil acceso

• Seguridad

• Emiten sondas de sonido de alta frecuencia (>20KHz)

• Imágenes en tiempo real, facilita uso de inyecciones guiadas

• Manipulación intraútero embriones de ratón • Observación de pequeñas estructuras es

posible por el uso de “ultrasonografía biomicroscópica”

• Utilizan fc entre 20 a 100 MHz• Obtiene visión casi microscópica

Multimodalidad

• Reúne en una sola imagen información de las diferentes técnicas de imagen antes descritas

• Diferentes técnicas de imagen están disponibles en la misma cámara

• Detectadas por 2 diferentes técnicas a la vez:• SPECT y tomografía computarizada• PET e imagen óptica• PET y resonancia magnética

• Permite la validación de sondas moleculares mediante diferentes técnicas de imagen molecular casi simultáneamente

• Este concepto permite amalgamar la información obtenida casi simultáneamente en un mismo animal de experimentación

Dianas biológicas y Sondas moleculares

• Dianas biológicas: es aquello que se utiliza endogenamente para investigar tejidos a nivel celular/molecular (receptores, enzimas)

• Sonda Molecular: localiza dianas biológicas específicas y detecta una señal que nos permite obtener una imagen (trazadores, partículas superferromagnéticas)

Imagen del Gen Informador

• Es la expresión de Dianas Biológicas específicas, que normalmente no existirían en aquellas células que son de interés (células tumorales)

• Que permite detectarlas mediante sondas moleculares que favorecen su visualización

• Las técnicas de imagen molecular ofrecen la posibilidad de monitorizar de forma no invasiva la localización, magnitud y persistencia del gen informador

• De esta manera se pueden crear células con sondas moleculares que actuaran como marcadores de expresión génica para la localización y seguimiento de las células de interés.

• La imagen de expresión génica puede ser conseguida de 2 maneras:

• Mediante la transferencia de genes en células específicas (transgenes)

• Mediante la expresión de genes endógenos n específicos.

• El gen informador debe ser introducido a la célula normalmente mediante vectores

Gen informador

• Debe ser estable, desaparecer rápidamente de la circulación

• No debe ser citotóxico• El tamaño del gen deben ser suficientemente

pequeño para caber en un vector • No deben de impedir su paso las barreras

biológicas naturales para alcanzar su destino

Annexina V

• Sonda molecular prometedora• Proteína• 20 tipos, V PM 36 mil y 319aa que se une a la fosfatidil

serina (fosfolípido componente de la membrana celular)• Se expresa como resultado de la activación y desactivación

de procesos enzimáticos específicos• La expresión de fosfatidil serina es la señal que indica que

la célula es apoptótica.• Marcador de procesos apoptóticos• Annexina V 3es marcador de procesos apoptóticos.

Factor de crecimiento vascular endotelial

• Sonda molecular• VEGF se une al receptor VEGF tipo 2.• Este receptor se caracteriza por expresarse en

células endoteliales localizadas en áreas de formación vascular (angiogénesis) aberrante

• La visualización in vivo es considerada importante en la caracterización tumoral

• Y para evaluar tx oncológicos

• “La imagen molecular es una nueva disciplina No invasiva de diagnóstico por imagen que promete cambiar el modo en que se esta llevando a cabo la medicina

actual”