La imagen molecular es una de las técnicas más prometedoras para el avance de la medicina, puesto que permiten diagnosticar enfermedades de una manera no invasiva. Uno de los aspectos fundamentales para la imagen molecular viene dado por el uso de sondas para imagen que sean capaces de detectar acontecimientos biológicos produciendo señal en, al menos, una técnica de imagen.

En nuestro grupo de Nanomedicina e Imagen Molecular del Instituto de Química Médica del CSIC, en Madrid, trabajamos en la optimización de nanopartículas de óxido de hierro que producen, de manera simultánea, tanto señales en tomografía de emisión de positrones (PET) como contraste positivo en imágenes de resonancia magnética (MRI). La combinación de estas dos técnicas de imagen es sumamente ventajosa en el ámbito de la imagen médica puesto que combina la sensibilidad del PET con la resolución anatómica de la MRI.

Para ello, y gracias al trabajo de investigadores como el doctor Juan Pellico, la investigadora Irene Fernández-Barahona y el Dr. Jesús Ruzi-Cabello, hemos logrado desarrollar un nuevo tipo de sondas para imagen, que contienen un isótopo radioactivo del galio, el ⁶⁸Ga, lo que asegura una señal robusta en el PET. Esto puede ser muy útil, como veremos a lo largo de este post para el diagnóstico de enfermedades cardiovasculares, como la ateroesclerosis o la trombosis o para el seguimiento de procesos inflamatorios.

Síntesis y optimización de nanopartículas trazadoras

Las nanopartículas están “dopadas” en su núcleo con ⁶⁸Ga mediante un proceso por el que el radioisótopo es incorporado al núcleo de la nanopartícula por medio de una síntesis que emplea un calentamiento muy rápido mediante microondas. Hemos hecho el dopado del núcleo de las nanopartículas de óxido de hierro sin utilizar quelantes, que son moléculas que se unen al radioisótopo para evitar que se separe de la nanopartícula in vivo. De esta manera, hemos logrado producir nanopartículas extremadamente pequeñas (2,5 nm).

Al contrario que en los abordajes tradicionales de imagen empleando nanopartículas de óxido de hierro, en los que la señal consiste en un oscurecimiento de la imagen mediante contraste negativo, el método desarrollado por nuestro equipo produce contraste positivo en las imágenes de resonancia magnética. Estas imágenes se caracterizan por una señal brillante que se consigue gracias al pequeño tamaño de los nanotrazadores. Además, las nanopartículas van envueltas en moléculas de citrato, lo cual aumenta la hidrofilia de su superficie, así como su biocompatibilidad.

Nanotrazadores de ⁶⁸Ga y óxido de hierro recubiertos de ácido cítrico

Detección no invasiva de neutrófilos en inflamación pulmonar

Vamos a ver ahora para qué pueden servir estas nanopartículas que hemos hecho en nuestro laboratorio. Uno de los principales objetivos en el campo de la imagen clínica es la detección in vivo de la inflamación, que es uno de los eventos centrales presentes en numerosas condiciones clínicas. Lograr la detección in vivo específica, no invasiva y cuantitativa de la inflamación pulmonar es muy útil para conocer el progreso de diversas enfermedades pulmonares, como el asma o la EPOC (enfermedad pulmonar obstructiva crónica).

Durante la inflamación aguda, los neutrófilos son el primer tipo celular que acude al lugar donde se está produciendo el proceso. Los neutrófilos ayudan a eliminar patógenos englobándolos y atacándolos con enzimas y especies reactivas de oxígeno. Sin embargo, esta actividad de los neutrófilos puede provocar un daño tisular importante en algunas enfermedades crónicas, como la EPOC o el asma. En 2017 demostramos en nuestro laboratorio la utilidad del empleo de nanotrazadores en un modelo murino (en ratones) de inflamación pulmonar aguda. Nuestros nanotrazadores producían imágenes muy claras y lograban marcar un 15% de los neutrófilos in vivo. Este trabajo también sirvió para determinar que el reclutamiento de neutrófilos está aumentado en los pulmones de ratones con modelo de ateroesclerosis. Este trabajo demuestra cómo se pueden combinar las imágenes de diagnóstico nuclear y la nanotecnología para detectar de una manera no invasiva la inflamación.

Detección de neutrófilos empleando nanotrazadores de 68Ga en ratones con inflamación pulmonar (derecha) y ratones control (izquierda)

Obtención de imágenes in vivo de la placa de ateroesclerosis

Otra utilidad de las nanopartículas desarrolladas en nuestro laboratorio es el diagnóstico precoz de la presencia de aterosclerosis. La ateroesclerosis consiste en la acumulación de placas en el interior de las arterias, asociada con un estado de inflamación crónico de la capa más interna del vaso sanguíneo, exacerbado en parte por la oxidación de las lipoproteínas de baja densidad (LDL). Es, en parte, por lo que los médicos siempre nos controlan el colesterol, puesto que las LDL son unas moléculas encargadas de transportar el colesterol en sangre. Si su nivel es demasiado alto, contribuyen a la formación de las placas en los vasos sanguíneos, que pueden llegar a obstruirse y provocar, por ejemplo, un infarto cardíaco.

A pesar de que se han estudiado numerosas sondas de imagen para visualizar las lesiones ateroescleróticas, todavía estamos buscando alguna que permita un buena detección in vivo. En 2019, junto con el grupo del doctor Pellico publicamos un trabajo en el que optimizábamos los nanotrazadores para el diagnóstico de ateroesclerosis por medio de PET y resonancia magnética. Usamos un modelo murino de ateroesclerosis y administramos a los ratones una inyección de anticuerpos modificados específicos frente a LDL oxidadas. Veinticuatro horas después, inyectamos nuestros nanotrazadores. Las nanopartículas se acumularon selectivamente en las placas ateroescleróticas, permitiendo la detección de estas lesiones y la caracterización estructural del tejido dañado. Un aspecto fundamental de este trabajo es que usábamos la química bioortogonal, de manera que, in vivo, se producía la conjugación del anticuerpo y los nanotrazadores.

Detección in vivo de trombosis

La principal causa de mortalidad en el mundo es la enfermedad tromboinflamatoria, que incluye el accidente cerebrovascular y la isquemia cardíaca. Los trombos pueden ocurrir en unos pocos minutos y tener consecuencias fatales. Los actuales métodos de detección que se usan en pacientes obtienen información de una manera indirecta. Así, por ejemplo, se visualiza la disminución o ausencia en el flujo sanguíneo en vez de ver el propio trombo. Esto implica que el tamaño del trombo tiene que estimarse, en vez de medirse directamente. Además, gran parte de los trombos no oclusivos, que no tapan por completo el vaso sanguíneo, tienden a no detectarse. El desarrollo de métodos que evalúen y midan directamente el tamaño del trombo beneficiaría tanto el diagnóstico como el tratamiento de estos eventos, como la trombosis venosa profunda o los accidentes cardiovasculares. En un artículo que publicamos en 2020, en colaboración con el Dr. Andrés Hidalgo del CNIC, utilizamos estas nanopartículas con galio para la detección in vivo de trombos en ratones. Generamos una sonda, que llamamos thrombo-tag (algo así como “trombo-etiqueta”) que está formada por un anticuerpo que se une a la membrana de las plaquetas y por las nanopartículas de óxido de hierro con ⁶⁸Ga. Esta thrombo-tag es capaz de detectar la formación de trombos por medio de tomografía de emisión de positrones en escasos minutos. Además, se forma in situ, cuando se coinyectan los dos componentes de la thrombo-tag. Hemos probado esta sonda en un modelo de ratón de infarto agudo de miocardio, desarrollado por el Dr. Andrés Hidalgo. En este modelo, se provoca el infarto por oclusión de la arteria coronaria izquierda. En dicho modelo los ratones sobreviven varias semanas sin problema, sin embargo, en ciertos ratones con una mutación que afecta a los neutrófilos la muerte ocurría pocos minutos después de la operación. La hipótesis del Dr. Hidalgo era que dicha muerte se debía a la formación rápida de trombos que provocan una isquemia cerebral. Pudimos confirmar que efectivamente los trombos eran la causa de esta muerte gracias a la detección de una señal robusta en las imágenes de PET de los cerebros de los ratones, cuando les inyectamos thrombo-tag. La presencia de estos trombos se confirmó después al analizar los cerebros de los ratones una vez muertos. Esta herramienta puede ayudar a desarrollar terapias que actúen directamente frente a los trombos.

Detección de microtrombos en el cerebro de ratones con infarto de miocardio y la mutación en los neutrófilos (fila de abajo) comparado con ratones control (fila superior)

Conclusiones

Este trabajo supone la optimización de un método de imagen extremadamente versátil, que incluye el uso de nanotrazadores que combinan las propiedades de las nanopartículas de óxido de hierro con la sensibilidad de la imagen por PET. La incorporación del isótopo de ⁶⁸Ga permite múltiples aplicaciones evitando los inconvenientes del uso de quelantes. Y el hecho de que las nanopartículas sean tan pequeñas permite la obtención de señales de contraste positivo brillantes por medio de resonancia magnética. Estos nanotrazadores se pueden usar para el diagnóstico in vivo de inflamación pulmonar, ateroesclerosis y formación de trombos, como ya se ha hecho con éxito en modelos animales. El siguiente paso es el empleo de estas nanopartículas con ⁶⁸Ga en enfermedades neurovasculares, con el fin de ayudar a un diagnóstico temprano de los infartos. Además, nuestro grupo está probando el empleo de las sondas en cerdos con ateroesclerosis, como modelo previo a su ensayo en humanos. Los cerdos son el modelo de ateroesclerosis más similar a los humanos.

Este post es la traducción del artículo ⁶⁸Ga core-doped iron oxide nanoparticles for the development of PET and positive contrast MR imaging probes, publicado el 5 de mayo en Research Features. https://researchfeatures.com/68ga-core-doped-iron-oxide-nanoparticles-development-pet-positive-contrast-mr-imaging-probes/