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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIA
INFORME TECNICO PARCIAL 2006
MEDICIÓN DEL GRADO DE DENSIDAD ÓSEA EN HUESO DE RATA OVARIECTOMIZADA SOMETIDA A RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA CLAVE CGPI: 20060681
PRESENTAN
M. en C. MARIA DE LOURDES CORTES IBARRA
M. en C. RIGOBERTO GARIBAY SANCHEZ
ING. DANIEL PARADA TAPIA
MÉXICO, D.F. ENERO 2006
Resumen En este trabajo se presenta un modo alternativo de tratamiento para prevenir
la progresión de la osteoporosis. La estimulación electromagnética es un
método no invasivo que a bajas frecuencias ha demostrado resultados
satisfactorios. Se plantea aplicar radiación no ionizante con el objetivo de
frenar la resorción ósea y así evitar las tan temidas fracturas.
El uso de un equipo de radiación electromagnética a bajas frecuencias se
justifica por el hecho de que es posible estimular células específicas, aplicando
la cantidad de radiación adecuada.
La metodología propuesta se aplica en un modelo animal experimental el cual
es de fácil adquisición y manipulación; con el cual se logra tener una muestra
representativa para realizar un análisis estadístico con el que se validaran los
datos obtenidos.
El proceso experimental planteado se desarrolla en tres partes fundamentales:
En primer lugar se efectúa una ovariectomización en un grupo de ratas, a las
cuales se les programan tiempos que permitan desarrollar la perdida de masa
ósea, se forman 2 grupos, un grupo será tratado y el otro continuará con el
proceso de pérdida de masa ósea.
En segundo lugar se programan tiempos de tratamiento con radiación
electromagnética de baja frecuencia a los grupos ya establecidos.
Finalmente se procede a obtener muestras de los grupos de ratas para realizar
pruebas en el material óseo y realizar una comparación entre todos los ellos.
Introducción Para explicar el efecto del electromagnetismo sobre el crecimiento y reparación
del hueso y el cartílago, hay que revisar primeramente tres conceptos físicos,
como la ley de Wolff, el efecto piezoeléctrico y el concepto de potenciales de
corriente.
La ley de Wolff de la reorganización afirma que el equilibrio entre la formación
y resorción ósea está controlada principalmente por la tensión mecánica.
Cuando se comprime un hueso largo, provocamos formación ósea en la
superficie perióstica del lado comprimido, mientras que en el lado donde se
aplicó tensión se observa resorción ósea. No es una coincidencia que exista
una carga negativa en el lado comprimido, donde se produce formación ósea
Figura 1 . De hecho, la aplicación externa de una corriente semejante también
produce crecimiento óseo [27]. La ley de Wolff ha sido explicada por la
transducción eléctrica de una deformación mecánica, la cual promueve la
diferenciación ósea.
En el tejido conectivo denso, el potencial eléctrico generado por el esfuerzo
mecánico es debido a el efecto piezoeléctrico, descrito por primera vez en
1957, que establece que si uno deforma una estructura cristalina (como el
hueso), los electrones migran hacia el lado comprimido, creando un potencial
negativo que rápidamente desaparece si la compresión se mantiene.
Conforme se libera la compresión, sin embargo, aparece un polo positivo
similar y opuesto conforme los electrones rebotan y vuelven a su lugar. La
hidroxiapatita y el colágeno son piezoeléctricos por naturaleza y su
deformación crea un potencial eléctrico.
Figura 1 A) Una fuerza compresiva sobre el fémur. B) Existe un efecto piezoeléctrico tras la
compresión. C) La ley de Wolff es la transducción de un esfuerzo mecánico al crecimiento y
remodelamiento óseo dirigido por la electricidad.
La ley de Wolff y los beneficios del ejercicio en carga para preservar la
densidad ósea se aplican también al cartílago. Los efectos beneficiosos del
ejercicio en carga in vitro con tasas de carga cíclica de unos pocos hertzios
sobre la síntesis de proteoglicanos han sido confirmados, tanto en cultivos
orgánicos [9], como en modelos animales [7].
Además de los potenciales eléctricos generados por estructuras cristalinas en
el hueso, se desarrolla otro “potencial de corriente” en otros tejidos conectivos
densos, especialmente en el cartílago cuando el desplazamiento de los iones
móviles dentro de la corriente líquida pasa a través de las cargas negativas de
la matriz de proteoglicanos sulfatados en respuesta a la compresión o la
deformación mecánica Figura 2. Con cada ciclo compresivo se genera una
corriente eléctrica por el potencial de corriente que puede suponer una señal
importante para el condrocito.
Figura 2 Potenciales de corriente. La compresión dinámica del cartílago genera cargas positivas
en la fase líquida para pasar la matriz de proteoglicanos sulfatados cargados negativamente. Ello
genera un voltaje que constituye un estímulo para el condrocito.
También se acepta en las leyes físicas que los campos eléctricos exógenos
pueden inducir corrientes a través de las soluciones iónicas que afectan el
comportamiento celular. Hay que recordar que un campo electromagnético
pulsado (CEMP) externo de frecuencia variable induce una corriente eléctrica a
la que las células responden. Los condrocitos parecen tener una respuesta
óptima a frecuencias bajas de menos de 15 Hz [15], que han demostrado en
varios estudios al aumentar la producción de glucosaminoglicanos. De hecho,
el estímulo de la condrogenésis es una de las formas en las que los CEMP
influencian los estadios precoces de la reparación ósea, lo cual puede tener
importantes implicaciones en el tratamiento de la artrosis.
Métodos y materiales.
Las investigaciones para aplicar campos magnéticos en la consolidación ósea,
comenzaron en 1970[29], con el objetivo de conocer, si campos
electromagnéticos inducen corrientes en hueso. Para este fin, se construyeron
bobinas, que permitían inducir corrientes al hueso, desde el exterior Figura 3.
Después de múltiples aplicaciones en animales, se tiene confianza al usarlo en
humanos. Es un método que ofrece grandes beneficios y pocos riesgos:
1. Es un método no invasivo
2. Puede ser usado en pacientes que tengan algún tipo de implante, o
alguna aleación de cromo-cobalto. Debido a la permeabilidad de estos
materiales al magnetismo, no se modifica el campo.
3. Se puede usar en pacientes con dificultad para la consolidación, en
forma natural (Por ejemplo speudoartrosis).
4. No es critica la colocación del campo en el sitio exacto del trazo de la
fractura.
5. Son pocos los pacientes a los que no se les recomienda la aplicación,
de este método, entre ellos, personas con marca pasos.
Basset [22]fue uno de los pioneros al estudiar los efectos de aplicar campos
magnéticos, que cruzan osteotomías de peroné en perros. Para este fin utilizó
bobinas, con núcleo de aire. Formó dos grupos, a unos les aplicó campos, con
1Hz, y una duración de 1.5 ms, y al segundo 0.15 Hz, una duración de 0.15
ms. De este experimento se tuvieron las siguientes observaciones:
1.- Al aplicar esta segunda frecuencia, se notó una mayor resistencia a
la flexión, con respecto al grupo control.
2.- Poca formación de la masa del callo, en el peroné estimulado,
comparado con el grupo control.
Tales observaciones parecen ser contradictorias, con respecto a lo que sucede
al estimular el hueso eléctricamente. Pero esto sugiere que la acción se lleva a
cabo por diferentes mecanismos. Mientras la actividad osteoblástica, puede ser
estimulada cerca de los electrodos, sin embargo la aplicación de campos
magnéticos, que varían en el tiempo, o sus corrientes inducidas, resulta en una
organización de los tejidos, en lugar de una respuesta estimulatoría.
Los niveles de corriente aplicados a las bobinas de tratamiento, fueron tales
que el pico del campo magnético, en el sitio de la no unión, fue de únicamente
unos cuantos Gauss, y el tiempo de tratamiento va de 10 a 16 horas diarias. El
diámetro de las bobinas y su colocación es de alguna manera crítico, por lo que
se construye un par de bobinas de Helmholtz, las cuales actuarán como si
fuese una sola bobina. Después de esto resultó menos problemático la
colocación del sitio de la fractura.
Figura 3 Campo magnético aplicado, y campo eléctrico inducido[22].
Basset y su grupo de investigadores [22], encuentran que el campo inducido,
en la fractura es aproximadamente de 1.2 a 1.6 V/cm.
No hay efectos adversos reportados, al aplicar campos magnéticos, por lo que
el Centro de Aceleración Lineal de Stanford, estableció como limite para
periodos prolongados 2000 Gauss.
Los mecanismos por los cuales suceden cambios favorables, en el proceso de
la consolidación de la fractura ósea, no son totalmente conocidos, y
actualmente son tema de investigación desde varios puntos de vista. Se sabe
que los campos magnéticos:
1.- Estimulan la síntesis de ADN. Lo que se ha demostrado de estudios en
fibroblástos humanos.
2.- Se altera el metabolismo de cAMP, a través de la activación de
adenilata ciclasa, y fosfodiestrasa, lo cual soporta la hipótesis de que los
niveles de calcio en la célula, son influenciados.
Actualmente ya se dispone de equipos comerciales, así se tienen algunas
marcas:
- BiOsteogen
- 3M Canada GEN-III
- EBI Medical Systems
Actualmente se han estudiado diversos casos donde se ha aplicado
estimulación electromagnética y en donde se han hecho mediciones con
resultados satisfactorios, pero poco significativos, esto quizás debido a las
técnicas con las que se hace la medición para verificar la disminución de la
resorción ósea.
Selección de los parámetros
Parámetros del equipo electrónico
DATOS BOBINAS: N = 196 l = 10 cm d = 16.5 cm B = 1.5 mgauss L = ? Φ =? A =213.8 cm
N = Número de vueltas l = Longitud d = Diámetro B = Densidad de flujo L = Inductancia Φ = Flujo magnético A = Área
Detalle del armado y montaje de las bobinas de Helmholtz
DATOS TÉCNICOS DEL CIRCUITO
1) Pulsos únicos 0.38 ms y frecuencia 72 A 1.5 mgauss
Parámetros de estimulación
Se ha decidido utilizar los siguientes datos con propósito de diseño de acuerdo
a los datos bibliográficos más relevantes ; se tiene entonces: proporcionar 380
µs y un campo magnético de 1.5mgauss
Parámetros del modelo animal
Se ha elegido trabajar con rata tipo wistar, la cual es de fácil adquisición y
manipulación, lo cual es esencial para el desarrollo del proyecto.
Bioterio
Cuando se trabaja con un modelo vivo, es necesario considerar las normas
existentes para el mejor manejo y disposición de animales experimentales.
Se trabaja con la norma NOM-ZOO-1999.
Se muestra a continuación el proceso de ovariectomización:
Resultados preliminares
A la fecha se tienen 4 ratas hembra de cepa wistar con peso aproximado de
300g +/-20g, a las cuales se les provoco osteoporosis y posteriormente se
radiaron con elequipo que se construyó durante un mes 4h diarias. A la fecha
se están analizando losresultados, los cuales se anexaran en breve.
Análisis fotoacústico
Para las pruebas se utilizará un laser (modelo Compass 415M, coherente), con
longitud de onda de 532 nm, el cual es usado como fuente de excitación. El
haz de excitación puede ser modulado de 5 Hz a 5 kHz por un modulador
acústico-óptico (ISOMET, modelo 232-A). Para tener ambos PACs iluminados
simultáneamente se uso una haz dividido (60/40), la radiación entrante se
dividió en dos rayos separados y cada uno de ellos se enfoco en las celdas PA.
Las señales de salida(amplitud y fase) por un micrófono electret (baja
temperatura) y posteriormente se amplifica (opamTL084); Las señales
amplificadas son enviadas a un amplificador lock-in SR830 por una interfase
GPIB. Una piel seca fue usada para cubrir el sistema fotoacústico diferencial
para evitar fluctuaciones de temperatura que incrementan la relación señal a
ruido.
Para estudiar algunos procesos con dependencia de la temperatura, el sistema
permite cambiar la temperatura del DPC usando un Watlow-96, 1/16 DIN
controlador de temperatura con dos termopares tipo-T (G302986, Watlow)
localizados en el centro del DPC: Los datos son recolectados usando un
multimetro Keithley 200 con interfase GPIB-USB conectado directamente a la
PC. Para temperaturas arriba de 60 ºC es necesario usar un micrófono ACO
pacific 7016 con preamplificador 4016 con respuesta de temperatura de -30º a
140ºC y aire seco dentro de las celdas fotoacusticas.
Pruebas preliminares del hueso diseccionado.
Impacto
En el presente trabajo se ha descrito básicamente el desarrollo de la
metodología para llevar a cabo la radiación electromagnética de baja
frecuencia en hueso con descalcificación que tiene riesgo de fracturas. Se
realiza un trabajo multidisciplinario que requiere de los conocimientos del área
médica y del área de ingeniería, lo que hace que se encuentren variables que
no estaban contempladas en la programación inicial.
Se realizó la investigación bibliográfica, donde se encontró que la técnica
utilizada se ha aplicado con una gama muy diferente de parámetros entre
ellos, y en ningún trabajo se han reportado resultados satisfactorios a la fecha,
de hecho la metodología utilizada por ellos es con un enfoque de medición de
diferentes células, es decir, métodos histomorfométricos.
La originalidad de este trabajo estriba en llevar a cabo técnicas no utilizadas a
la fecha como lo son la medición de esfuerzos y la medición para cuantificación
de calcio de espectroscopia fotoacústica.
Los resultados que se tienen a la fecha son pocos, pero nos dan pauta para
pensar que esta dando resultado la técnica utilizada. Con ellos se ha obtenido
experiencia para trabajar con un modelo animal y contemplar las variables que
esto implica como es la alimentación, conocer la fisiología y anatomía de las
mismas.
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