Imagen in vivo usando nanopartículas y radiación Cherenkov

La combinación de la nanotecnología con la radiación de Cherenkov promete revolucionar la imagen óptica en biomedicina. La imagen óptica basada en luz Cherenkov ofrece múltiples ventajas respecto a la imagen por radiación nuclear. Más barata, más rápida, más cómoda para el sujeto, permite fotografiar a varios sujetos en paralelo, etc. Pero también tiene sus problemas, como que la detección de la radiación Cherenkov solo alcanza una profundidad de algunos centímetros, y que el flujo de fotones es muy bajo comparado con la luz del ambiente.

Para incrementar la intensidad de la luz y mejorar la calidad de las imágenes se usan nanopartículas que contienen sustancias fluorescentes, como puntos cuánticos. Estos emiten luz con una longitud de onda más larga (por ejemplo, en rojo) como respuesta a la luz Cherenkov (azul) emitida por otras nanopartículas. Estos puntos cuánticos pueden recubrir la nanopartícula por su parte exterior (centro, abajo, en la figura) o estar localizados en su núcleo (derecha, abajo, en la figura). Incluso se puede lograr una emisión observable mediante un equipo PET, con lo que se obtiene una imagen multimodo.

Limitada en la actualidad a estudios preclínicos, nos resume el estado actual de esta técnica de imagen el artículo de Travis M. Shaffer, Edwin C. Pratt, Jan Grimm, “Utilizing the power of Cerenkov light with nanotechnology,” Nature Nanotechnology 12: 106–117 (07 Feb 2017), doi: 10.1038/nnano.2016.301.

Dibujo20170208 Cerenkov mechanism for blue-weighted luminescence nnano 2016 301-f1

Una partícula cargada que viaja en un medio más rápido que la velocidad de la luz en ese mismo medio emite radiación de Cherenkov. El brillo azul característico fue observado en 1933 por Cherenkov, pero la teoría que lo explica fue publicada por Frank y Tamm en 1937. Esta figura ilustra como una partícula cargada (punto rojo) que viaja en un medio polariza sus moléculas. A baja velocidad las moléculas retornan a su estado fundamental sin más. Pero a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en dicho medio el retorno al estado fundamental viene acompañado de la emisión de luz desplazada al azul (flechas curvdas en azul). La emisión del medio (que no de la partícula) se concentra en un la dirección de propagación (hacia adelante) de la partícula con un ángulo ? respecto a ella determinado por el cono de luz, análogo al boom sónico cuando un avión a reacción supera la velocidad del sonido en el aire.

Dibujo20170220 common beta-emitters used in biomedical cerenkov applications nature NNANO 2016 301

La partícula cargada es un electrón (o positrón) emitido por un radionúcleo emisor ?+ (??); recuerda que en la radioactividad beta un neutrón se transforma en un protón emitiendo un electrón y un antineutrino, o un neutrón en un protón emitiendo un positrón y un neutrino. El leptón cargado debe superar una energía crítica para que su velocidad supere a la de la luz en el medio. Para electrones (positrones) en el agua es de 261 keV; según la ecuación de Frank–Tamm uno solo emitiría 320 fotones en el espectro visible por centímetro de agua. Para medios con un índice de refracción mayor que el agua, el flujo de fotones es mayor. Esta tabla muestra los radionúcleos más usados (primera columna), con la energía máxima en keV que alcanzan (cuarta columna), así como las nanopartículas más usadas para introducirlos en el tejido vivo (última columna).

Dibujo20170208 CL emitters can be incorporated into nanoparticles for high specific activity multimodal probes nnano 2016 301-f5

La luz Cherenkov no solo se puede usar para obtener imágenes in vivo, sino también para activar terapias. Los avances en la imagen Cherenkov en medicina llegarán en los próximos lustros a los sistemas de salud pública y privada. Combinada con el uso de nanopartículas promete múltiples aplicaciones biomédicas tales como la dosimetría, la imagen y la terapia médica, sobre todo en oncología. También se augura su aplicación futura en la optogenética. Sin lugar a dudas oiremos hablar mucho de esta nueva técnica de imagen en los próximos lustros.

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