Imágenes de partículas magnéticas: un novedoso escáner de imágenes ultrasensible para el seguimiento de células madre in vivo

Las enfermedades cardiovasculares y la diabetes son dos trastornos muy comunes que pueden ser fatales. La terapia con células madre es muy prometedora para reparar estos órganos dentro de un ser humano vivo. Y los biólogos de células madre han inventado cientos de métodos competitivos para administrar células madre al órgano enfermo, y cientos de métodos para promover que esas células se diferencien en células cardíacas o células pancreáticas. Sin embargo, los tratamientos actuales aún no se han depurado por completo y los biólogos de células madre necesitan saber si los pasos de entrega, andamiaje o diferenciación fallaron. Para ello, necesitan poder "ver" las células del interior de un animal vivo. Esto les permite ver dónde van las células madre dentro del cuerpo, qué les sucede cuando se asientan dentro de un órgano y si logran restaurar la función de los órganos enfermos. Pero actualmente no existe ninguna modalidad de obtención de imágenes que lo haga de manera confiable; Este es uno de los grandes obstáculos hoy en día para la terapia con células madre. Los animales y los humanos son casi completamente opacos a la luz, por lo que las herramientas de microscopía estándar simplemente no pueden decirnos si las células están en el bazo, el hígado o el órgano objetivo. Saber si las células llegaron al órgano objetivo permite a los biólogos de células madre saber cuál de varias técnicas candidatas es la mejor para dirigir las células específicamente a, por ejemplo, un corazón enfermo o un páncreas enfermo. Ver el interior de los animales pequeños y del cuerpo humano ha sido tarea de métodos de diagnóstico por imágenes como la tomografía computarizada, los rayos X, la ecografía, la medicina nuclear y la resonancia magnética. Cada una de estas modalidades estándar de imágenes médicas ha sido modificada (generalmente con un agente de contraste) para intentar rastrear las células madre dentro del cuerpo. Sin embargo, cada uno tiene limitaciones importantes y los biólogos de células madre se quedan con información inadecuada para optimizar las terapias con células madre. Debido a que no existe una modalidad de obtención de imágenes ideal, la mayoría de los biólogos de células madre recurren a estudios en serie en un gran número de ratones y recurren a la microscopía en el momento en que se sacrifica al animal. No se pueden recopilar datos dinámicos de esta manera y este proceso es lento y engorroso, y a menudo requiere semanas para un solo punto de datos. Las terapias con células madre requieren una modalidad de seguimiento de células madre más rápida y en tiempo real, ya que es probable que cada órgano diana necesite sus propios métodos particulares de administración, focalización y diferenciación. Somos el único grupo de investigación en los EE. UU. que desarrolla tecnología de escáner de imágenes de animales pequeños con imágenes de partículas magnéticas para el seguimiento de células madre. El método MPI aún está en sus inicios, similar a lo que era la resonancia magnética a principios de los años 1980. Sin embargo, nuestras imágenes preliminares ya son mucho mejores que las resonancias magnéticas preliminares de esa época. La razón es que MPI tiene varias ventajas físicas fundamentales: estamos obteniendo imágenes de la magnetización en un agente de contraste (llamado óxido de hierro superparamagnético o SPIO) que es 1 millón de veces más magnético que el magnetismo utilizado para crear resonancias magnéticas de humanos. Aún así, este agente de contraste SPIO es completamente seguro y ya está aprobado por la FDA para otras aplicaciones. Los SPIO se han utilizado de forma segura para tratar la anemia en humanos durante décadas. No se puede crear una imagen MPI dentro de un escáner de resonancia magnética o dentro de cualquier escáner de imágenes médicas. Ninguna empresa vende escáneres de mouse MPI. Por lo tanto, dedicamos el primer año a diseñar y construir el primer escáner de imágenes de partículas magnéticas del mundo adecuado para rastrear terapias con células madre en un modelo de ratón. También estamos desarrollando un avance teórico sobre el método básico de imágenes (llamado Análisis del espacio X) que ofrece enormes ventajas en claridad de imagen y resolución espacial. El progreso en nuestra investigación ha sido sobresaliente, con una publicación en una revista, otros dos artículos presentados, una solicitud de patente y diez publicaciones en conferencias. Como grupo de investigación de instrumentación biomédica, reconocemos la importancia crítica de colaborar con biólogos de células madre y científicos clínicos que buscan terapias con células madre que salven vidas. Por lo tanto, estamos colaborando en esta tecnología de imágenes moleculares de última generación con el Prof. El grupo de investigación de células madre de David Schaffer en UC Berkeley. Y trabajamos en estrecha colaboración con mis colaboradores de cardiología de mucho tiempo en el Centro Médico de Stanford, Michael McConnell, MD, MSEE y Philip Yang, MD.

La terapia con células madre tiene un enorme potencial para curar órganos dañados, incluido el páncreas diabético, el miocardio dañado después de un ataque cardíaco y el cerebro de los pacientes de Parkinson. Sin embargo, los científicos que trabajan con células madre carecen actualmente de un método de obtención de imágenes in vivo adecuado para garantizar que las células madre lleguen a estos órganos diana y permanezcan en ellos. Esto sería esencial para la adopción clínica de terapias con células madre. Unas imágenes sólidas de células madre permitirían optimizar los protocolos in vivo para administrar, mantener o promover la diferenciación de células madre en el órgano afectado, ya que cada paso puede validarse sin sacrificar al animal ni utilizar pruebas invasivas. Necesitamos que esto también funcione bien en humanos, porque un método sólido de obtención de imágenes de células madre permitiría probar el destino y el destino de las células madre, los cuales son cruciales para una eventual aprobación regulatoria, así como para la eficacia clínica. La comparación de las modalidades de imágenes existentes para el seguimiento de células madre in vivo, las técnicas de rayos X, tomografía computarizada, ultrasonido y resonancia magnética no proporcionan un contraste, sensibilidad y resolución espacial adecuados en profundidad. Todos los métodos de obtención de imágenes ópticas sufren atenuación. Hace apenas 6 años se inventó un nuevo método de obtención de imágenes, llamado Imagen de Partículas Magnéticas (MPI). Mi laboratorio en UC Berkeley es uno de los pioneros de esta tecnología. La física MPI se adapta fundamentalmente mejor al seguimiento de células madre que estos métodos de imágenes tradicionales, y tiene el contraste, la sensibilidad y la seguridad necesarios para aplicaciones tanto en humanos como en animales pequeños. Fundamentalmente, no esperamos ninguna atenuación con la información magnética de las células madre en lo profundo del tejido. La física fundamental ofrece una sensibilidad mucho mayor que otros métodos de obtención de imágenes. Por lo tanto, los científicos de células madre se beneficiarán enormemente del desarrollo técnico de la obtención de imágenes de células madre con MPI. Mi grupo de investigación en UC Berkeley ha diseñado y construido los cuatro escáneres de ratón MPI que existen actualmente en Estados Unidos. Este año hemos logrado varios avances en la tecnología MPI, incluida la demostración de los primeros escaneos MPI del espacio x del mundo y el primer escaneo MPI de proyección del mundo. Específicamente para aplicaciones de seguimiento de células madre, hemos confirmado experimentalmente todas nuestras hipótesis físicas clave de MPI: la señal de MPI es positiva, lineal y cuantitativa con el recuento de células madre; la señal MPI no se atenúa cuando las células están profundamente dentro del tejido; y también confirmamos que MPI es muy sensible a las células madre marcadas. Y estamos mejorando rápidamente la única debilidad significativa restante del MPI, la resolución espacial, en colaboración con el Prof. Kannan Krishnan. Más allá de estos logros de investigación y publicaciones, la subvención CIRM Fase I ha hecho posible la formación de algunos de los mejores estudiantes de posgrado del mundo. Mis estudiantes de ingeniería están entusiasmados con las posibilidades iniciales de traducir los resultados de nuestra investigación en productos genuinos para que todos los científicos de células madre puedan beneficiarse de este esfuerzo de investigación de vanguardia de UC Berkeley. Apreciamos enormemente la subvención del programa CIRM Phase I Tools & Technology, que nos permitió construir, depurar y mejorar radicalmente la instrumentación de imágenes MPI que pronto se convertirá en una herramienta esencial para todos los científicos de células madre. El apoyo del CIRM I fue fundamental para asegurar el apoyo de las herramientas y tecnología del CIRM de la Fase II, el apoyo de la subvención UC Discovery y el apoyo de la subvención NIH R01 MPI.