El cáncer y los traumatismos craneoencefálicos representan las causas más comunes de cirugía del cerebro adulto. La incidencia de cánceres de cerebro varía alrededor de dos a 18 casos por cada 100.000 habitantes, dependiendo de si se trata de tumores primarios (aquellos que se originan en las propias células cerebrales) o como resultado de metástasis desde otros órganos afectados. Por su parte, los traumatismos craneoencefálicos presentan una incidencia de más de 50 casos por cada 100.000 habitantes, aunque esta cifra varía mucho en función de la región geográfica que se analice.
Tanto en el caso de metástasis o cáncer cerebral, como en los traumatismos craneoencefálicos, los tejidos cerebrales que rodean a la región afectada se modifican y alteran su composición celular y química. Diagnosticar y delinear de manera precisa los límites de estos cambios puede ayudar a mejorar su tratamiento quirúrgico. Esta es la idea sobre la que se asienta el proyecto europeo Nanobright, que desarrolla sondas de fibra óptica capaces de detectar los cambios moleculares que rodean a tumores y traumatismos cerebrales, identificando la presencia de células tumorales o alteraciones asociadas, como el estrés oxidativo causado por la presencia de derrames y contusiones que acompañan al traumatismo.
Cuatro instituciones de tres países europeos, Italia, España y Francia, participan en esta iniciativa, que cuenta con una financiación de 3,5 millones de euros de la Comisión Europea. El Instituto Italiano de Tecnología, que lidera el consorcio, se encarga del desarrollo tecnológico del dispositivo, que consiste en la integración de sistemas espectroscópicos con sensores de actividad cerebral implementados sobre fibras ópticas muy poco invasivas.
Para poder comprender las señales registradas con estos dispositivos, un equipo especializado en física del Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia (CNRS) desarrolla modelos matemáticos ópticos de la propagación de la luz a través de las sondas y de la teoría detrás de la espectroscopía de Raman empleada. Estas simulaciones permiten definir los límites de detección y apoyar la interpretación precisa de las señales obtenidas en modelos animales en los laboratorios experimentales del consorcio.
En España, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) participa a través del equipo liderado por la neurocientífica Liset Menéndez de la Prida en el Instituto Cajal que, junto al Grupo de Metástasis Cerebral que dirige Manuel Valiente en Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), aplican las nuevas sondas al estudio de la metástasis cerebral. En el Instituto Cajal, además, aplican la tecnología al diagnóstico de traumatismos craneoencefálicos.
“Desarrollamos estrategias de espectroscopía de Raman microscópica que aplicamos a través de fibras ópticas afiladas. Son sondas que, al insertarlas en el tejido cerebral, dirigen la luz de forma precisa y generan una interacción física con las células y el microambiente que las rodea para leer sus propiedades. De esta forma podemos, amplificando la señal de la luz recolectada, inferir si en esa región hay indicadores de la presencia de células cancerígenas, permitiendo una cirugía mucho más precisa al delimitar los límites de las regiones afectadas”, explica la directora del Laboratorio de Circuitos Neuronales y especialista en Neurociencias de Sistemas y Neurocomputación. Para el análisis de estas señales los investigadores del CSIC emplean técnicas de inteligencia artificial, que les permiten clasificar de manera automática la presencia de marcadores patológicos fiables.
En el equipo liderado por Menéndez de la Prida trabajan 11 personas, de las cuales tres participan en Nanobright. Además de este proyecto, su laboratorio buscar aplicar las mismas técnicas de inteligencia artificial al estudio de la actividad eléctrica cerebral; una línea de investigación integrada en la conexión del CSIC AIhub, sobre inteligencia artificial, y en la plataforma temática interdisciplinar (PTI) Neuroaging, de envejecimiento cerebral. Estas plataformas son un instrumento de investigación e innovación, que fueron creadas para abordar retos multidisciplinares de alto impacto científico, económico y social. Están integradas por grupos de investigación de distintos centros del CSIC y abiertas a la participación de empresas, administración, otras instituciones y agentes sociales.
La fibra óptica desarrollada por Nanobright, con un diámetro menor al de un cabello humano, puede albergar en su superficie las denominadas estructuras plasmónicas, nanoestructuras metálicas que ayudan a amplificar los efectos espectroscópicos de la luz en su interacción con el microambiente cerebral. “Como cuando un barco emplea un sónar para peinar el fondo y establecer el perfil de las montañas submarinas, nosotros empleamos la luz, modulándola mediante una estrategia de manipulación holográfica, para barrer el tejido cerebral y observar las alteraciones asociadas con la presencia de células cancerígenas o traumatismos”, comenta Menéndez de la Prida.
En el caso del cáncer, la nueva tecnología logra discriminar entre los tipos de metástasis definiendo biomarcadores claramente asociados con un diagnóstico más preciso. Estas mismas estrategias se pueden aplicar en el caso de tumores primarios de cerebro para ayudar a definir los límites de las alteraciones en los tejidos. Además, abre nuevas opciones terapéuticas porque facilita el diagnóstico y permite ser menos invasivo a la hora de resecar el tejido afectado, ya que la resolución a escala micrométrica de las sondas ofrece una imagen mucho más detallada que las actuales técnicas de diagnóstico por imagen, como es el caso de la resonancia magnética.
En la resonancia magnética se emplean campos magnéticos para producir imágenes detalladas del interior del cuerpo que permitan ver si existen tumores y medir el tamaño de estos, o delimitar la extensión de las lesiones asociadas al traumatismo. La imagen que ofrece permite localizar las regiones que se van a intervenir y ayuda a planificar la cirugía. Sin embargo, es poco precisa con relación a los límites microscópicos de la lesión, lo que tiene gran importancia clínica, sobre todo cuando estas se localizan cerca de ciertas zonas funcionales, como, por ejemplo, la que controla el habla. En estos casos, una cirugía tallada de manera personalizada para cada paciente ofrece nuevas posibilidades.
Las mismas sondas, modificadas para aumentar su alcance espacial, pueden ser aplicadas también al estudio del tejido cerebral resecado para comparar con el diagnóstico obtenido en el laboratorio de anatomía palotógica. Este tipo de análisis, que se realiza tras las biopsias, es el que confirma el diagnóstico, e identifica, por ejemplo, las células cancerígenas, su tipo y clasificación clínica. Esta otra vertiente del proyecto permite extender el rango de aplicaciones de las sondas.
La aplicación de la tecnología desarrollada en Nanobright se encuentra aún en fase experimental, pero los investigadores ya están trabajando en su posible extensión a la fase clínica. Estos ensayos tendrían que realizarse en quirófano, durante una operación o, de manera posterior, durante el análisis de las biopsias. “Si fuera intra-operatorio, sería bajo anestesia y mediante la inserción de la sonda en la región a analizar por el cirujano. Habría que hacer una incisión. Si fuera en las biopsias, se pondría hacer en el laboratorio de análisis bajo el control del anatomopatólogo. Pero aún no hemos llegado a esa fase”, comenta la investigadora del CSIC en el Instituto Cajal.
Estas sondas podrían tener una aplicación potencial en los campos de estudio de las plataformas AIHUB y Neuroaging. De la Prida y su equipo han descubierto que combinando técnicas de inteligencia artificial con la recolección de datos de estos sensores podría obtenerse mucha más información y avanzar en el diagnóstico personalizado. Además, esta técnica podría ayudar a caracterizar los tejidos alterados en procesos como el envejecimiento o el alzhéimer, en los que se produce una variación en la composición de los lípidos, que muestran características fácilmente identificables. “La posible extensión de la técnica al diagnóstico temprano del alzhéimer es un resultado no previsto, que demuestra el valor de la investigación básica como generadora de valor y catalizadora de invenciones que nos permitan avanzar en la lucha contra los desafíos que nos amenazan”, concluye Liset Menéndez de la Prida.
