Una nueva y revolucionaria técnica de obtención de imágenes, que utiliza rayos X generados por un acelerador de partículas de última generación, ofrece imágenes en 3D de órganos completos con un nivel de detalle sin precedentes. Para demostrar esta tecnología, los investigadores han tomado imágenes del pulmón de un paciente fallecido con COVID-19, lo que ha revelado nuevos conocimientos sobre la forma en que la enfermedad altera la oxigenación de la sangre.
La nueva tecnología se denomina Tomografía de Contraste de Fase Jerárquica (HiP-CT) y es una técnica de rayos X que permite obtener imágenes de órganos enteros con una resolución de 1 micra, es decir, 100 veces la resolución de una tomografía computarizada convencional.
El avance en la obtención de imágenes se debe a una mejora tecnológica en la Instalación Europea de Investigación Sincrotrónica (ESRF). Este acelerador de partículas de última generación ha sido mejorado recientemente con lo que se conoce como actualización de la Fuente Extremadamente Brillante (ESRF-EBS).
Esta mejora de la EBS creó el primer sincrotrón de cuarta generación del mundo, convirtiéndolo en la fuente de rayos X más brillante del mundo. Esto aumentó el rendimiento de los rayos X por un factor de 100 en términos de «brillo y coherencia». Además, los rayos X generados por este dispositivo son 100.000 millones de veces más brillantes que los de una radiografía hospitalaria convencional.
«La idea de desarrollar esta nueva técnica HiP-CT surgió tras el inicio de la pandemia mundial, combinando varias técnicas que se utilizaban en el ESRF para obtener imágenes de grandes fósiles, y utilizando la mayor sensibilidad de la nueva Fuente Extremadamente Brillante del ESRF, ESRF-EBS», explica el científico principal del ESRF Paul Tafforeau. «Esto nos permite ver en 3D los vasos increíblemente pequeños dentro de un órgano humano completo, permitiéndonos distinguir en 3D un vaso sanguíneo del tejido circundante, e incluso observar algunas células específicas».
Gracias a esta nueva tecnología, un equipo dirigido por investigadores del University College de Londres está poniendo en marcha un proyecto denominado Atlas de Órganos Humanos. Peter Lee, que dirige el proyecto, afirma que el objetivo del Atlas de Órganos Humanos es llenar un vacío en nuestra comprensión de la anatomía humana.
«La tomografía computarizada y la resonancia magnética tienen una resolución inferior a un milímetro, mientras que la histología (que estudia las células y los cortes de biopsia al microscopio), la microscopía electrónica (que utiliza un haz de electrones para generar imágenes) y otras técnicas similares resuelven las estructuras con una precisión inferior a una micra, pero sólo en pequeñas biopsias de tejido de un órgano», explica Lee. «La HiP-CT tiende un puente entre estas escalas en 3D, obteniendo imágenes de órganos enteros para proporcionar nuevos conocimientos sobre nuestra composición biológica».
El Atlas de Órganos Humanos será un recurso gratuito en línea y se lanza con visualizaciones de varios órganos humanos clave, como el cerebro, los riñones, el corazón y el bazo. El proyecto también ofrece imágenes que comparan un pulmón sano con un pulmón de un paciente de COVID-19 fallecido.
Un signo patológico fundamental del deterioro de la COVID-19 es el descenso brusco de los niveles de oxigenación de la sangre, y las imágenes HiP-CT han revelado cómo se produce esto a través de un proceso conocido como «derivación». Anteriormente se había planteado la hipótesis de que la COVID-19 reduce las tasas de oxígeno en sangre al aumentar los niveles de derivación en los pulmones, pero ésta es la primera prueba directa de ese proceso.
«Combinando nuestros métodos moleculares con las imágenes multiescalares HiP-CT en pulmones afectados por la neumonía por COVID-19, hemos conseguido una nueva comprensión de cómo se produce la derivación entre los vasos sanguíneos de los dos sistemas vasculares de un pulmón en los pulmones lesionados por COVID-19, y el impacto que tiene en los niveles de oxígeno de nuestro sistema circulatorio», afirma Danny Jonigk, investigador de la Facultad de Medicina de Hannover que trabaja en el proyecto.
HiP-CT está diseñado para ofrecer a los médicos una biblioteca de imágenes que documentan cómo afectan las distintas enfermedades a una variedad de órganos. Estos datos estructurales nunca vistos ilustran cómo las enfermedades pueden influir en la arquitectura de los tejidos con resoluciones tan pequeñas como una micra.
Claire Walsh, ingeniera mecánica del University College de Londres que trabaja en el proyecto, afirma que las imágenes detalladas se utilizarán junto con técnicas de aprendizaje automático para mejorar la información obtenida a partir de imágenes clínicas como las resonancias magnéticas y los escáneres. Además de ayudar a calibrar y mejorar esas tecnologías actuales, Walsh sugiere que los datos de HiP-CT ayudarán a los investigadores a desarrollar sistemas de inteligencia artificial que puedan aclarar las imágenes de RM y TC.
«La capacidad de ver los órganos a distintas escalas será realmente revolucionaria para las imágenes médicas», afirma Walsh. «Cuando empecemos a vincular nuestras imágenes HiP-CT con las imágenes clínicas mediante técnicas de IA, podremos -por primera vez- validar con gran precisión los hallazgos ambiguos en las imágenes clínicas».
