Noves tècniques d'imatge per a la recerca de malalties respiratòries

2011/06/01 Artaetxebarria Artieda, Xabier - Telekomunikazio-ingeniaria Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Medikuntza
• Teknologia

Per a analitzar la imatge a través de programes d'ordinador es poden diferenciar les diferents parts del pulmó. En aquest exemple, obtingut a partir d'una imatge micro-CT, el blau sòlid representa les vies respiratòries i en vermell el volum afectat per l'emfisema. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

Els pulmons són un òrgan bàsic per als animals que respiren aire, inclosos els éssers humans. Les malalties pulmonars solen tenir una gran influència en tot el cos, ja que dificulten l'intercanvi d'oxigen que les cèl·lules necessiten per a obtenir energia i de diòxid de carboni, residu de la respiració.

Als països rics, la malaltia pulmonar obstructiva crònica (de l'anglès chronic buxctive pulmonary disease , COPD) és la malaltia pulmonar que més morts produeix, al marge de les infeccions. Aquesta malaltia limita el flux d'aire i està relacionada amb la bronquitis crònica i l'emfisema. La bronquitis és la inflamació de les vies respiratòries i l'emfisema provoca la degradació dels teixits pulmonars. D'altra banda, als països més pobres, les infeccions pulmonars són la principal causa de mort, per sobre de qualsevol altra malaltia. A més, el càncer més mortal del món és el pulmó.

Igual que qualsevol altra malaltia, existeixen diverses possibilitats de recerca sobre aquest tema. D'una banda, es pot fer a nivell cel·lular. Els últims desenvolupaments en genètica, proteòmica, etc. permeten estudiar els components moleculars i microscòpics de la malaltia. D'altra banda, també es poden realitzar estudis a nivell clínic, per exemple, aplicant diferents tractaments a diferents grups de pacients i analitzant els resultats. No obstant això, tots dos mètodes tenen les seves limitacions. Encara que les recerques cel·lulars poden tenir una gran precisió, no expliquen la interacció entre cèl·lules i teixits de tot el cos. I els estudis realitzats en la fase clínica plantegen problemes ètics tangibles, com la no administració d'un medicament que pugui beneficiar a un grup de pacients o la demostració de teràpies potencialment nocives. Per a omplir el buit entre tots dos mètodes, se solen realitzar assajos amb animals. Així, de 1901 a 2006, el 76% dels guanyadors del Premi Nobel de Medicina van utilitzar animals en les seves recerques.

L'ús de ratolins, rates, etc. abans de passar a la fase clínica facilita moltes proves, però per descomptat, els problemes ètics no desapareixen del tot. Per això, en anglès s'aplica l'anomenat "principi de tres R": reduir en la mesura que sigui possible l'ús d'animals ( redueix ), substituir-lo per altres tècniques que puguin donar la mateixa informació ( replace ) i afinar el tracte que es dóna als animals ( refini ).

En aquest context, les noves tècniques d'imatge tenen molt a dir. Les tècniques de ressonància magnètica d'alta resolució o escàner basat en raigs X (denominada micro-CT) permeten, entre altres coses, analitzar el cos dels animals petits sense causar dolor en ells, que és el que es denomina refinar el tracte. A més, al no haver de matar animals en els experiments, es pot reduir considerablement el nombre d'animals utilitzats. El micro-ct és especialment apropiat per a l'estudi de pulmons de petits animals, amb una resolució aproximada de 50 m (0,05 mm), a més de mostrar un gran contrast entre els teixits pulmonars i l'aire.

Tècnica de dibuix o com obtenir una imatge pulmonar d'un ratoncito

Els micro-cts d'alta definició s'han desenvolupat principalment en les últimes dècades, però el seu principal principi és el XX. Conegut des de principis del segle XX. En el primer pas es realitzen diverses radiografies de l'objecte que es pretén estudiar, formant una circumferència des de diversos angles i al voltant de l'objecte. Posteriorment, aquestes radiografies han de ser processades per ordinador per a obtenir una imatge tridimensional de l'estructura interna de l'objecte. Quantes més radiografies facis en el primer pas, més recta serà la imatge final.

Per a accedir a l'escàner els animals solen estar anestesiats, però els moviments respiratoris poden causar problemes, especialment en les imatges pulmonars. De fet, si en cada radiografia els pulmons es troben en una posició diferent, la imatge tridimensional processada per l'ordinador tindrà poca precisió, ja que d'alguna manera mostrarà pulmons aproximats. Per a evitar-ho hem desenvolupat una tècnica de sincronització respiratòria i imatge que consisteix a connectar a l'animal a un respirador una vegada anestesiat. Per a això s'introdueix un catèter en la tràquea del ratolí, que és més estreta que un mil·límetre. Per a facilitar l'operació utilitzem il·luminació amb fibra òptica a l'interior del catèter.

Seguiment de l'emfisema. Per a analitzar l'impacte de l'elastasa s'ha realitzat el seguiment d'un grup de ratolí en les primeres hores i dies del desenvolupament de l'emfisema. Cada columna representa un moment concret del desenvolupament. En la primera fila apareixen les seccionis micro-CT amb l'emfisema en vermell. En les dues línies següents es mostren les figures 3D, per davant i per darrere, i finalment les imatges microscòpiques. En ells s'observa com l'emfisema actua sobre l'alveolat. En general, el nostre experiment demostra que és possible realitzar un seguiment del desenvolupament de l'emfisema mitjançant micro-CT sense la mort d'animals. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

Quan l'animal està connectat al respirador, es pot accedir a l'escàner. Per a evitar que el moviment pulmonar afecti la imatge, és necessari sincronitzar el respirador i l'escàner. Mitjançant un senyal elèctric s'aconsegueix que les radiografies es realitzin únicament en el moment en què els pulmons estan plens. Així, en totes les radiografies extretes de diferents angles els pulmons estan en el mateix estat i la imatge tridimensional calculada en l'ordinador tindrà una resolució molt millor.

Tècniques d'estudi de la imatge o com mesurar la incidència d'una malaltia en la imatge pulmonar d'un ratoncito

Observant les imatges dels pulmons dels animals podem obtenir informació important. Però en un experiment normalment es busquen diferències entre dues o més grups: per exemple, si un tractament ha frenat o, almenys, ha alentit el desenvolupament d'una malaltia. En aquesta mena de recerques és molt útil disposar de dades quantitatives i objectius que permetin una comparació equitativa. Per tant, és molt important obtenir mesures objectives a partir d'imatges. Per a això hem utilitzat el diagnòstic per ordinador. Hem desenvolupat diversos algorismes per a obtenir, pas a pas, mesures que indiquen l'estat dels pulmons a partir de la imatge inicial.

Abans de realitzar un mesurament, s'han de separar els apartats que ens interessen mitjançant un procés denominat segmentació. En aquest cas, és convenient segmentar en la figura els pulmons i les vies respiratòries per a poder realitzar mesuraments sobre elles. En el cas de les vies respiratòries hem desenvolupat un algorisme basat en el creixement de camp. El programa d'ordinador és capaç de localitzar automàticament la tràquea i des d'allí va seguint les vies respiratòries fins a detectar tot l'arbre bronquial. Hem desenvolupat un nou programa de separació de pulmons que busca en diversos passos una zona fosca en el centre de la imatge. Per a valorar aquestes tècniques automàtiques, les comparem amb les segmentacions manuals.

Quan en la imatge estan separades i identificades les vies respiratòries i els pulmons, es poden realitzar mesuraments. Les vies respiratòries permeten el mesurament automàtic dels diàmetres bronquials. En els pulmons les mesures més interessants són el volum i la intensitat, ja que la intensitat de les imatges micro-CT (la lluminositat de cada píxel) està relacionada amb el contingut d'aire. Com més fosc, més aire. Així, els pulmons inflamats solen tenir una intensitat elevada i els d'emfisema baixa, ja que la degradació dels teixits característics de la malaltia produeix una major proporció d'aire.

Experiments o com aplicar aquestes noves tècniques a experiments reals

Les tècniques desenvolupades per a obtenir imatges precises dels pulmons dels ratolins i obtenir mesures objectives dels mateixos tenen una aplicació pràctica, ja que a més de reduir l'ús i el tracte dels animals en els experiments d'estudi de malalties, ofereixen una informació rica. Per a demostrar-ho, realitzem diferents experiments, sobretot amb dues malalties: la inflamació crònica pulmonar i l'emfisema.

Existeixen diverses tècniques per a provocar en el ratolí una inflamació pulmonar crònica. Un d'ells està relacionat amb la silicosi que es produeix en els éssers humans i consisteix a introduir cristalls de sílice en els pulmons de l'animal. Això provoca un procés inflamatori crònic de diverses fases. Per primera vegada a tot el món, hem utilitzat la tècnica micro-CT i l'anàlisi d'imatge automàtic per a descriure aquest patró de malaltia, obtenint noves dades de desenvolupament. En resum, trobem que la inflamació estreta les vies respiratòries i que la proporció d'inflamació del pulmó augmenta durant diversos mesos.

Seguiment de la inflamació. Seguiment mitjançant micro-CT d'un grup de ratolí amb inflamació deguda a cristalls de sílice per a estudiar el desenvolupament de la malaltia. En cada columna apareix un punt de desenvolupament: inici, 4 setmanes, 14 setmanes i 34 setmanes. En la primera fila s'observa la segmentació obtinguda de la figura micro-CT: vies respiratòries en groc, pulmó en blau i volum inflamatori en vermell. En la segona fila es mostren les figures de microscopi obtingudes en el mateix punt del desenvolupament de la malaltia, amb tenyit d'hematoxilina-eosina. Totes les tècniques permeten apreciar l'augment de la superfície de la zona inflamada. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

En el cas de l'emfisema, la malaltia es va produir a través d'una elastasa que desfà els teixits pulmonars. En treballs anteriors, diversos investigadors van demostrar que es podia utilitzar la tècnica micro-CT per a estudiar el desenvolupament de l'emfisema, però no estava pràcticament comparada amb altres tècniques. Nosaltres hem realitzat una àmplia recerca utilitzant diferents tècniques alhora, i hem descobert que el micro-cts mostra amb gran precisió el desenvolupament de la malaltia sense la mort dels animals.

Conclusió o quina hem après amb tot això

Les malalties pulmonars causen moltes morts a tot el món. En el nostre treball hem desenvolupat tècniques per a poder investigar-les millor utilitzant petits rosegadors. D'una banda, hem desenvolupat un mètode per a obtenir imatges pulmonars d'alta precisió mitjançant raigs X, sincronitzant la respiració artificial amb les radiografies. D'altra banda, hem desenvolupat programes automàtics d'ordinador per a l'anàlisi d'aquestes imatges, amb la finalitat de poder obtenir mesures objectives. La utilitat d'aquestes tècniques s'ha demostrat en diferents experiments.

Accelerant els experiments amb animals, refinant i obtenint una informació més rica, aquestes tècniques facilitaran el pas dels tractaments curatius de les malalties pulmonars des del laboratori a la fase clínica.

BIBLIOGRAFIA