Nueva "linterna molecular" para detectar metástasis cerebral

Una nueva técnica, que podemos describir coloquialmente como “linterna molecular”, detecta metástasis cerebral introduciendo en el cerebro una sonda de luz más fina que un cabello. Es capaz de informar sobre la composición química del tejido nervioso y permite analizar cambios moleculares producidos por tumores y lesiones. Por ahora, se ha probado solo en ratones, pero se espera que pueda emplearse en humanos.

La técnica ha sido desarrollada por un consorcio internacional que incluye equipos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), ambas instituciones en España.

Uno de los grandes retos de la investigación biomédica es monitorizar los cambios causados en el cerebro a escala molecular por el cáncer y otras patologías neurológicas, y hacerlo de manera no invasiva. La nueva técnica, de momento en fase experimental, lo consigue mediante una sonda ultrafina que introduce luz en el cerebro.

El equipo de investigación y desarrollo, encabezado por Filippo Pisano, del Centro de Nanotecnologías Biomoleculares, adscrito al Instituto Italiano de Tecnología, se refiere a la nueva técnica con el término “linterna molecular” porque informa de la composición química del tejido nervioso al iluminarlo. Permite así analizar cambios moleculares producidos por tumores, ya sean primarios o metastásicos, y también por lesiones como traumatismos craneoencefálicos.

La linterna molecular es una sonda de menos de 1 milímetro de grosor, con una punta de apenas una milésima de milímetro, una micra, invisible a simple vista. Es posible introducirla hasta alcanzar zonas profundas del cerebro sin causar daño (para hacerse una idea, un cabello humano mide entre 30 y 50 micras de diámetro).

Esta linterna-sonda no está lista para ser usada en pacientes; por ahora es ante todo una herramienta prometedora de investigación con modelos animales que permite monitorizar alteraciones moleculares causadas por una lesión cerebral traumática, así como detectar marcadores diagnósticos de metástasis cerebral con gran precisión, según explican sus creadores.

El trabajo lo ha llevado a cabo el consorcio europeo NanoBright, en el que participan dos grupos españoles, el liderado por el Laboratorio de Circuitos Neuronales del Instituto Cajal del CSIC, dirigido por Liset Menéndez de la Prida, y el Grupo de Metástasis Cerebral del CNIO, dirigido por Manuel Valiente. Ambos se han ocupado de la investigación biomédica en NanoBright, mientras que grupos de instituciones italianas y francesas han desarrollado la instrumentación.

Neuronas (rojo) y astrocitos (blanco) activados en la corteza cerebral cercana a un traumatismo craneoencefálico. (Imagen: Elena Cid / Instituto Cajal CSIC)

Explorar el cerebro con luz sin alterarlo previamente

Activar o registrar la función cerebral usando la luz no es nuevo. Por ejemplo, las llamadas técnicas optogenéticas permiten controlar con luz la actividad de neuronas individuales. Sin embargo, para ello es necesario introducir en las neuronas un gen que las hace sensibles a la luz. Con la nueva tecnología que ahora presenta NanoBright se puede estudiar el cerebro sin alterarlo previamente, lo que supone un cambio de paradigma en la investigación biomédica.

El nombre técnico de la nueva linterna molecular es espectroscopía vibracional. Su funcionamiento se basa en una característica de la luz, el efecto Raman: “cuando la luz incide sobre las moléculas, rebota de manera distinta en función de su composición y estructura química, lo que permite detectar una señal o espectro diferente en cada caso. El espectro se convierte así en una firma molecular que informa de la composición del tejido iluminado”, explica Liset M. de la Prida, del CSIC.

De ese modo, puede detectarse cualquier cambio molecular producido en el cerebro por una patología o lesión.

“Esta tecnología -explica Manuel Valiente- nos permite estudiar el cerebro en su estado natural, no es preciso alterarlo previamente. Pero además posibilita analizar cualquier tipo de estructura cerebral, no solo aquellas que has marcado o alterado genéticamente, como ocurría con las tecnologías usadas hasta ahora. Con la espectroscopía vibracional podemos ver cualquier cambio molecular en el cerebro cuando existe una patología”.

La espectroscopía Raman se utiliza ya en neurocirugía, aunque de forma invasiva y menos precisa: “Se han realizado estudios de su uso al operar tumores cerebrales en pacientes -señala Valiente-. En quirófano, una vez eliminado el grueso del tumor con cirugía, es posible introducir una sonda de espectroscopía Raman para evaluar si quedan células cancerosas en la zona. Es decir, solo se usa cuando el cerebro ya está abierto y el hueco es lo bastante grande. Pero estas linternas moleculares de tamaño relativamente grande son incompatibles con un uso mínimamente invasivo para modelos animales en vivo”.

Para el grupo del CNIO, un objetivo ahora es saber si la información que aporta la sonda permite “diferenciar diversas entidades oncológicas, por ejemplo, los tipos de metástasis acorde a sus perfiles mutacionales, por su origen primario o procedente de diferentes tipos de tumores cerebrales”.

Por su parte, el grupo del Instituto Cajal ha utilizado la técnica para investigar las zonas epileptógenas que rodean un traumatismo craneoencefálico. “Hemos podido identificar diferentes perfiles vibracionales en las mismas regiones cerebrales susceptibles de generar crisis epilépticas, dependiendo de su asociación a un tumor o a un traumatismo. Esto sugiere que las sombras moleculares de estas áreas están afectadas de manera diferente, y pueden ser usadas para separar diferentes entidades patológicas mediante algoritmos de clasificación automática incluyendo inteligencia artificial”, explica Liset Menéndez de la Prida.

“La integración de espectroscopía vibracional con otras modalidades de registro de la actividad cerebral y el análisis computacional avanzado con inteligencia artificial nos va a permitir identificar nuevos marcadores diagnósticos de alta precisión, lo que facilitará el desarrollo de neurotecnologías avanzadas para nuevas aplicaciones biomédicas”, resume la investigadora del CSIC.

El equipo expone los detalles técnicos del nuevo sistema en la revista académica Nature Methods, bajo el título “Vibrational fiber photometry: label-free and reporter-free minimally invasive Raman spectroscopy deep in the mouse brain”. (Fuente: CNIO / CSIC)