Investigadores del MIT aprovecharon un descubrimiento inesperado para idear una técnica de imagen biomédica más rápida y precisa.

Investigadores del MIT descubrieron un fenómeno paradójico en la física óptica que podría permitir un nuevo método de bioimagen más rápido y de mayor resolución que la tecnología actual.

Descubrieron que, bajo las condiciones adecuadas, un desorden caótico de luz láser puede autoorganizarse espontáneamente en un "haz de lápiz" altamente enfocado.

Utilizando este haz de lápiz autoorganizado, los investigadores capturaron imágenes 3D de la barrera hematoencefálica humana 25 veces más rápido que el método estándar de referencia, manteniendo una resolución comparable.

Al mostrar células individuales absorbiendo medicamentos en tiempo real, esta tecnología podría ayudar a los científicos a probar si fármacos nuevos para enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer o la ELA alcanzan sus objetivos en el cerebro, con mayor velocidad y resolución.

"La creencia común en el campo es que si se aumenta la potencia en este tipo de láser, la luz inevitablemente se volverá caótica. Pero probamos que esto no es el caso. Seguimos la evidencia, aceptamos la incertidumbre y encontramos una manera de dejar que la luz se organizara a sí misma en una nueva solución para la bioimagen", dice Sixian You, profesora asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT (EECS, por sus siglas en inglés), miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica y autora principal de un artículo sobre esta técnica de imagen.

En el artículo la acompañan el autor principal Honghao Cao, estudiante de posgrado en EECS; los estudiantes de posgrado de EECS Li-Yu Yu y Kunzan Liu; los posdoctorados Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton y Federico Presutti; Zhengyu Zhang, PhD ’24; Subhash Kulkarni, profesor asistente en la Universidad de Harvard y el Centro Médico Beth Israel Deaconess; y Roger Kamm, Profesor Distinguido Cecil and Ida Green de Ingeniería Biológica y Mecánica en MIT. El artículo aparece hoy en Nature Methods.

Un hallazgo sorprendente

El descubrimiento comenzó con una observación que al principio desconcertó a los investigadores.

El equipo había desarrollado previamente un preciso moldeador de fibra, un dispositivo que les permite ajustar cuidadosamente la luz láser que atraviesa una fibra óptica multimodo. Este tipo de fibra óptica puede transportar una cantidad significativa de potencia.

Cao estaba llevando la fibra multimodo al límite para ver cuánta potencia podía soportar.

Normalmente, cuanta más potencia se inyecta en el láser, más desordenado y disperso se vuelve el haz de luz debido a las imperfecciones de la fibra.

Pero Cao observó que, al aumentar la potencia casi al punto de quemar la fibra, la luz hizo lo contrario de lo esperado: se colapsó en un único haz afilado como una aguja.

"El desorden es intrínseco en estas fibras. La ingeniería de la luz que normalmente se necesita para superar ese desorden, especialmente a alta potencia, es una molestia que lleva tiempo. Pero con esta autoorganización, se puede obtener un haz de lápiz ultrarápido y estable sin necesidad de componentes especiales para moldear el haz", señala You.

Para replicar este fenómeno, los investigadores descubrieron que debían cumplir dos condiciones simples, pero precisas.

Primero, el láser debe entrar en la fibra en un ángulo perfecto de cero grados. Esto es un requisito más riguroso que el habitual en este tipo de fibras. Segundo, la potencia debe aumentarse hasta que la luz empiece a interactuar con el propio vidrio de la fibra.

"En esta potencia crítica, la no linealidad puede contrarrestar el desorden intrínseco, creando un equilibrio que transforma el haz de entrada en un haz de lápiz autoorganizado", explica Cao.

Normalmente, los investigadores realizan estos experimentos a niveles de potencia mucho más bajos por temor a destruir la fibra, en cuyo caso no verían esta autoorganización. Además, una alineación tan precisa sobre el eje no suele ser necesaria, ya que una fibra multimodo puede transportar tanta potencia.

Pero en conjunto, estas dos técnicas pueden generar un haz de lápiz estable sin métodos complicados de ingeniería de la luz.

"Esa es la ventaja de este método: podrías hacer esto con un montaje óptico normal y sin mucha experiencia especializada", comenta You.

Un mejor haz

Cuando los investigadores realizaron experimentos de caracterización de este haz de lápiz, descubrieron que era más estable y de mayor resolución que muchos haces similares. Otros haces a menudo sufren de "lóbulos laterales": halos borrosos de luz que pueden distorsionar las imágenes.

Su haz era más puro y estaba más enfocado.

Sobre la base de estos experimentos, los investigadores demostraron el uso de este haz de lápiz en la imagen biomédica de la barrera hematoencefálica humana.

Esta barrera es una capa de células muy compacta que protege al cerebro de toxinas, pero que también bloquea muchos medicamentos. A menudo, los científicos y médicos desean ver cómo los medicamentos fluyen dentro de la vascularización de la barrera hematoencefálica y si llegan a sus objetivos dentro del cerebro.

Pero con configuraciones ópticas estándar, lo mejor que se puede hacer es capturar una sección 2D de la vascularización a la vez, y luego repetir el proceso varias veces para generar una imagen más completa, explica You.

Con esta nueva técnica, los investigadores crearon un haz de lápiz ultrarrápido y de alta precisión que les permitió rastrear dinámicamente cómo las células absorben proteínas en tiempo real.

"La industria farmacéutica está especialmente interesada en usar modelos humanos para seleccionar fármacos que crucen la barrera eficazmente, ya que los modelos animales a menudo no predicen lo que ocurre en los humanos. El hecho de que este nuevo método no requiera que las células tengan una etiqueta fluorescente es un cambio radical. Por primera vez, ahora podemos visualizar la entrada dependiente del tiempo de los fármacos al cerebro e incluso identificar la velocidad a la que tipos celulares específicos internalizan el fármaco", indica Kamm.

"Sin embargo, lo importante es que este enfoque no se limita a la barrera hematoencefálica, sino que permite el seguimiento temporal de diversos compuestos y objetivos moleculares en modelos de tejidos diseñados, proporcionando una herramienta poderosa para la ingeniería biológica", añade Spitz.

El equipo capturó imágenes 3D a nivel celular de mayor calidad que con otros métodos, y generó estas imágenes unas 25 veces más rápido.

"Usualmente, hay una compensación entre la resolución de la imagen y la profundidad de enfoque: solo se puede investigar cierta profundidad cada vez. Pero con nuestro método podemos superar esta compensación creando un haz de lápiz con alta resolución y una gran profundidad de enfoque", dice You.

En el futuro, los investigadores quieren comprender mejor la física fundamental del haz de lápiz y los mecanismos detrás de su autoorganización. También planean aplicar la técnica a otros escenarios, como la imagen de neuronas en el cerebro, y trabajar para comercializar la tecnología.

"El grupo de You se dio cuenta de que este haz, que concentra energía en tiempo y espacio, podría ser valioso para técnicas de microscopía que dependen de la intensidad de la luz que ilumina la muestra. Demostraron exactamente eso y encontraron ventajas sobre los haces láser comunes para imagen. Será científicamente interesante comprender por completo la creación de los nuevos haces de lápiz, que podrían resultar útiles en una variedad de aplicaciones de imagen", señala Frank Wise, profesor emérito Samuel B. Eckert de Ingeniería en la Universidad de Cornell, quien no participó en este trabajo.

El trabajo fue financiado por fondos de inicio del MIT, Novo Nordisk Research Development, un premio CAREER de la Fundación Nacional de Ciencia (NSF), CZI Dynamic Imaging del fondo de donaciones de Chan Zuckerberg a través de la Silicon Valley Community Foundation, la Manton Foundation y el Fairbairn Menstruation Science Fund.

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