Fibra óptica para diagnosticar y curar

06/04/2015 7 comentarios
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El mismo cable que llevará internet a tu casa a toda pastilla en el futuro, también puede servirte para saber si estás a punto de agarrarte un resfriado o incluso curarte las varices. ¿Cómo es posible? Pierde unos minuticos en leerme y lo verás ;)

 

La fibra óptica es la forma más rápida que tenemos, actualmente, de comunicarnos de forma guiada. Se trata de uno de los pilares fundamentales sobre los que se apoya nuestra tecnología y, simplemente por comentarlo, se estima que en torno al 95 % del tráfico global de Internet viaja a través de cables de fibras ópticas que cruzan los fondos marinos. La distribución actual y futura de estos cables es pública, y podéis verla en el mapa de cableado submarino mundial: http://www.submarinecablemap.com/

Los ilustres científicos de Fig. 1, como John Tyndall, Harold Hopkins y, sobre todo, Narinder Singh Kapany (considerado como el padre de la fibra óptica) deberían de estar orgullosos de haber creado semejante maravilla, ya que toda la velocidad de la que disponemos hoy en día se debe, en parte, al desarrollo de una red de fibra óptica global basada en 4 conceptos bien sencillos que ellos supieron entender y modelar matemáticamente: 

Fig. 1

Fig.1. Los 3 científicos a partir de los cuales se creó todo.

 

1. La velocidad de la luz en el vacío/aire es unos 300.000 kilómetros por segundo (Km/seg). Debido a las condiciones del vidrio o sílice (SiO2, material del que está hecha la fibra óptica) esta velocidad disminuye a 207.000 Km/seg. Pese a todo, está claro que se trata de una velocidad bastante alta. Por hacernos a la idea, redondeando el diámetro de la tierra a 12.700 Km, su circunferencia es de unos 40.000 Km (recordad la multiplicación por pi). Pues bien, la información daría unas 5 vueltas al planeta en menos de un segundo.

2. La fibra está compuesta por un núcleo cilíndrico y un revestimiento, ambos de sílice, pero con diferente "resistencia" al paso de la luz, lo cual hace que toda la luz viaje dentro del núcleo. Lo más grande que he podido ver en fibra óptica es un diámetro de 1 mm. Lo normal es usar fibras cuyo diámetro es 125 micrómetros (poco más que un pelo) y cuyo núcleo varíe entre 8 y 62,5 micras (Fig. 2). Esto hace que sea muy manejable, flexible y, por tanto, fácil de transportar y de trabajar con ella. 

Fig.2.jpg

Fig.2. Diferentes tipos de fibras ópticas y sus partes. Pueden verse los núcleos de las fibras monomodo y multimodo, las más típicas para comunicaciones.

 

3. El principio básico de propagación en la fibra óptica es la reflexión total interna. En los cursos previos a entrar en la universidad, aprendemos los fenómenos de reflexión y refracción de la luz. Dependiendo del ángulo con el que lancemos un rayo de luz hacia la superficie entre dos medios con diferentes "resistencias" (esta resistencia se denomina "índice de refracción"), la luz se nos propagará de una manera o de otra, pero hay un cierto ángulo con el que conseguimos que todo lo que lanzamos contra esta superficie se refleja. Así es como se propaga la luz en la fibra: 

 

4. Los telecos hablamos del ancho de banda de la fibra óptica para referirnos a la velocidad a la que se transportan los datos en esta tecnología. Lo máximo que están ofertando, hoy en día, las compañías en España, es de unos 50 Megabits/seg. Usando un cable de fibra monomodo (8 micras de núcleo) en condiciones óptimas, podríamos dar abastecimientos de hasta decenas de Gigabits/seg. Es decir, supongamos que bajamos películas de unos 2 GB de memoria, que es lo que comienza a estar medianamente bien para considerarla con buena resolución. Según esto, podríamos descargarnos más de 5 películas por segundo usando uno solo de estos cables. La tecnología está ahí, y se espera que sea el futuro. De hecho, se llama FTTH (fiber to the home o fibra hasta el hogar). Pero claro, hablando en el argot empresarial, "hay que amortizar". Ahí lo dejo.

Pues bien, de acuerdo con el título de esta entrada, de la misma manera que la fibra óptica es el futuro de la comunicación, también es y puede ser el futuro en muchas aplicaciones médicas. Veamos:

a) Reparación de varices: con el paso del tiempo y dependiendo del ejercicio que hagamos o de nuestra predisposición genética, nuestras venas se van volviendo más vagas, con lo que no retornan tan fácil la sangre desde las extremidades al corazón. Esta condición es mucho más visible en las piernas, ya que es donde más ejerce la gravedad a la hora de retornar la sangre, con lo que las venas comienzan a acumular sangre en su interior y se dilatan, dando lugar a los diferentes tipos de varices. Las varices superficiales (arañas) o de grosor intermedio, pueden quitarse con tratamientos externos de láseres (de neodimio) o incluso secándolas sin más que inyectando una espuma constrictora. Sin embargo, las varices gruesas necesitan, por así decirlo, "más caña". Lo que se hace en estos casos es delimitar las zonas a tratar con la ayuda de ecografía doppler e introducir fibras ópticas para guiar potencias muy altas de luz láser y, de alguna manera, "quemar" o cauterizar las varices gordas. El cuerpo se encarga, posteriormente, de reabsorber los restos y limpiar la zona. Un par de vídeos instructivos sobre cómo se reparan las varices podéis verlos en los enlaces que os muestro a continuación.

- Qué son las varices y cómo se curan:

- Tratamiento con láser por fibra óptica para curar varices: https://youtu.be/LqIWTyqHwaU

 

b) Retirada de tatuajes: Los tatuajes son una bolsa de tinta que se introduce en la piel, a unas pocas micras de profundidad entre la dermis y la epidermis. Así, nos aseguramos de que queda ahí alojado por mucho tiempo. Está claro que se trata de un material externo al cuerpo, con lo que él mismo, con el tiempo, lo va retirando conforme la piel se va cayendo. Esa es una de las razones por las que, si estáis interesados en conservar el tatuaje, hay que volver a repasarlo a la de varios años.

Sin embargo, es posible que, en este mismo tiempo, os hartéis de tenerlo. De ser así, tras los cuidados previos, lo que se hace es utilizar pulsos de láser de alta potencia, adecuado para el tipo de pigmentación que deseamos retirar. Este láser genera el pulso de luz y éste se propaga optimizadamente (sin pérdidas de potencia) a través de un cable de fibra óptica ajustable. A diferencia de los láseres que se usan para eliminar las "arañas", estos necesitan más potencia para poder profundizar mejor en el tejido y romper las bolsas de tinta. Sin embargo, son lo suficientemente potentes como para cumplir su función en pocos nanosegundos y no lastimar demasiado la piel.

- Cómo se quita un tatuaje en una clínica: 

Por supuesto, todo lo que tenga que ver con reparación estética de tejidos superficiales o retirada y cauterización de pequeños pólipos, ahí estará el láser guiado por fibra óptica para hacerlo. Son aplicaciones sencillas y que, simplemente con controlar la potencia y la longitud de onda de la luz que se envía, se solucionan rápido. Otras requieren un poco más de sofisticación, como la reparación de la hiperplasia prostática benigna (tumor benigno de próstata) o la destrucción de cálculos renales o uretrales. En ambas, se trata de lanzar chorros continuados de luz láser, adecuándonos a las características de los tejidos, blando o duro.

Sin embargo, no todo está basado en el uso del láser. Otras aplicaciones usan luz visible y, quizá, no tan específica.

La primera de ellas fue inmediatamente posterior al descubrimiento de las primeras fibras ópticas. Puesto que se comprobó que se podía guiar la luz con guías flexibles, los padres de la fibra óptica crearon el primer prototipo de fibroscopio que conocemos hoy en día. Obviamente el cacharro era bastante rudimentario, si lo comparamos con lo que existe hoy en día, pero era la manera más sencilla de evitarse meterle un pedazo de tubo por el esófago al paciente con espejos fijados (Fig. 3). Y además, se consiguió introducir pequeños utensilios de microcirugía para operar in situ o hacer biopsias. Lo sorprendente de esto es que para iluminar lo que se está haciendo, se usan fibras ópticas, que llevan luz blanca visible desde la fuente al interior de la cavidad a ojear. La recepción de imágenes se hace a través de una célula CCD, como las que pueden llevar nuestras cámaras digitales, que transforma la imagen en electricidad que puede ser procesada, posteriormente, para obtener la imagen requerida.

- Enlace a las partes del fibroscopio: https://youtu.be/VkZyeRkFIJk 

Fig.3.jpg

Fig.3. ¿Cuál de los dos endoscopios preferiríais que os introdujeran por el tubo digestivo y demás orificios corporales? ;)

 

Puestos a intubar a la gente, normalmente se usa un catéter Swan-Ganz para medir diferentes variables relacionadas con la fisiopatología del sistema circulatorio, como son anomalías en la presión, insuficiencias cardíacas, cardiopatías en general y demás condiciones generalmente asociadas a la edad o a alguna malformación. El mencionado catéter tiene un sistema de detección de ondas de presión y termodilución, de manera que se puede saber, en un momento dado, dónde está situado el extremo distal del catéter y si estamos en la posición correcta para considerar que el paciente está correctamente cateterizado. Los diámetros de los tubos que se usan para realizar este tipo de intervenciones son pequeños de por sí, pero estaría mejor si los reducimos de tamaño, más que nada para evitarnos sustos de atascos indebidos dentro del sistema cardiovascular, que pueden ser arriesgados. En este sentido, los Swan-Ganz más avanzados incorporan un sensor de saturación de oxígeno similar al que se usa en los pulsioxímetros, pero conectado a una fibra óptica, de manera que obtenemos información adicional con el mismo cable introducido. Quién sabe si los mismos sensores de temperatura o presión actuales podrían sustituirse por fibras ópticas que estuvieran diseñadas para detectar estas variables físicas.

- Cateterismo Swan Ganz: https://youtu.be/cPTYU2BrOlY

Hasta ahora, todo lo que hemos comentado está relacionado con variables físicas o actuación física directa sobre el paciente. Pero, ¿qué pasaría si tratáramos la fibra óptica para detectar compuestos químicos y, más concretamente, biológicos? ¿Se podrían hacer analíticas con fibra óptica? Bueno, en realidad, se está investigando ya mismo sobre ello y en eso se ha basado mi tesis doctoral. Concretamente, lo que hemos tratado de realizar son biosensores de fibra óptica. Pero vamos por partes.

Un biosensor es un instrumento que utiliza moléculas biológicas (biorreceptores) para detectar otras sustancias biológicas (o también químicas) de interés, que llamaremos analitos. Está formado por 3 partes: sustrato, biología e interfase de inmovilización biológica. Un esquema de estas partes podéis verlo en Fig. 4 y, además, podéis encontrar más información sobre este tipo de sensores en una entrada que hice al respecto en "Ingeniando la medicina".

Fig.4.jpg

Fig. 4. Esquema de un biosensor. En nuestro caso, la fibra óptica hace de sustrato y los biorreceptores son anticuerpos.

 

En el caso de mi tesis, los biorreceptores han sido anticuerpos y los analitos, antígenos. Un antígeno es una sustancia ajena al organismo que éste detecta como invasora y contra la que genera anticuerpos específicos para neutralizarla y destruirla. Así, por ejemplo, si padecemos de gripe, el virus tiene unas determinadas proteínas en su superficie que son las que captan nuestros anticuerpos para inmovilizarlo y destruirlo, aunque tengamos que pasar una semana en cama.

Si os ponéis a buscar información sobre biosensores, os encontraréis que es uno de los campos de mayor calado en investigación a nivel mundial. Hay un montón de biosensores basados en tecnologías muy diversas y para conseguir todos los fines. La idea es que los gobiernos han pensado lo suficiente como para llegar a la conclusión de que "es mejor prevenir que curar". Así que se trata de eso: usar los biosensores para anteponerse a los síntomas de las enfermedades y que la gente tarde más en ponerse enferma. O al menos, que se le puedan pillar las afecciones a tiempo.

En este sentido, de acuerdo con el campo de investigación de nuestro grupo y porque es algo que a mí, personalmente, me apasiona, la tesis fue de cómo intentar mejorar biosensores de fibra óptica. Existen varios tipos de sensores que usan la fibra óptica para detectar enfermedades. Los principales son los basados en:

a) Fluorescencia (Fig. 5a): Quizá sea la técnica más usada, ya que emplea un método muy similar a diversas pruebas clínicas que se realizan para comprobar la presencia de determinadas sustancias biológicas o bioquímicas. Se basa en la emisión espontánea de luz ante una excitación de una longitud de onda visible, la cual genera una emisión de luz en otra longitud de onda visible superior. Normalmente, bien los receptores o bien los analitos suelen estar marcados con algún fluoróforo o sustacia que se excita a una determinada longitud de onda. Si, efectivamente, se ha llevado a cabo la detección biológica, la fibra aparecerá iluminada con el color que emita este fluróforo adosado.

b) Absorción (Fig. 5b): Si bien su fiabilidad no está del todo probada, es una de las técnicas más sencillas de practicar. Básicamente, se trata de aumentar o disminuir la absorción de luz a una determinada longitud de onda conforme van ocurriendo más reacciones biológicas.

c) Bioluminiscencia (Fig. 5c): Algunas sustancias biológicas emiten luz por sí solas cuando detectan a la sustancia que necesitan para ello (por ejemplo las luciferinas). Podemos tener esto en cuenta y desarrollar biosensores que incorporen este tipo de sustancias en su interior.

Fig.5.1.jpg

Fig. 5. (a) Biosensor basado en fluorescencia. Observad cómo del esquema superior se saca la foto inferior. Allí donde más presencia de analito hay, más fuerte es la fluorescencia (verde) cuando excitamos con luz azul. (b) Biosensor de luminiscencia. El color azul es el producto de la luminiscencia del material cuando se junta con el analito que queremos detectar. (c) Cuanta más concentración de analito encontramos, mayor es la absorción en torno a 260 nm.

 

d) Interferometría (Fig. 5d): Este tipo de sensores se basa en el movimiento en longitud de onda de un patrón interferométrico. Básicamente, dependiendo de la estructura óptica que se use, la luz puede sufrir rebotes eventuales que sumen o resten señal a lo que ya existía. Esto genera bandas de fuerte atenuación y bandas de atenuación nula. Se pueden usar estas bandas para seguir su movimiento en longitud de onda conforme se van detectando reacciones biológicas en el exterior.

e) Resonancias (Fig. 5e): estas son las mías. Bien por la propia estructura óptica o bien porque nosotros las cubrimos con los materiales adecuados, somos capaces de generar fuertes atenuaciones de luz en determinadas longitudes de onda, fenómenos que se conocen como resonancias. Normalmente, las estructuras ópticas que se usan propagan la luz por reflexión total interna, como hemos visto al comienzo de esta entrada. Sin embargo, si las tratamos adecuadamente, podemos acceder a una mínima parte de la luz que pueda escapar refractada. Si esto es así, podemos aprovechar para 1: generar las resonancias que queremos (y de paso, crear la interfase de inmovilización) y 2: pegar anticuerpos, por ejemplo en mi caso, para detectar, más adelante, los antígenos. Si lo hacemos adecuadamente, provocaremos diferentes "resistencias" a la luz que, aunque mínimas, sean capaces de mover las resonancias los suficiente como para detectar estos cambios y saber si estamos más o menos enfermos.

En concreto, una de las aplicaciones de las que más orgullosos estamos en esta tesis es la de haber conseguido bajar el límite de concentración de anticuerpos mínimo para decir si una persona es celíaca o no. La pudimos bajar de 8 a 5 microgramos/ml. Por supuesto, aún queda mucho por hacer, ya que se es celíaco tanto si se tiene 8 como 5 como 0,1, pero la cuestión es conseguir llegar a ese diagnóstico precoz que determine que tenemos tal enfermedad y así poder comenzar cuanto antes con el tratamiento, de manera que nuestra calidad de vida no empeore antes de lo debido o podamos controlar los efectos de la enfermedad.

Fig.5.2.jpg

Fig. 5. (d) Biosensor basado en interferometría. En este caso, sobre la punta de la fibra óptica se deposita una capa de proteínas que hace que la luz que incide sobre ellas rebote, pero sumando y restando potencia según la longitud de onda. Este es el típico patrón de interferometría. Si sobre esto se detectan analitos, el patrón se moverá en longitud de onda, con lo que obtendremos biosensores muy fiables basados en el movimiento de resonancias. En (e), presento la aplicación que hicimos para celiaquía. Sobre la fibra óptica depositamos un material que nos generaba la resonancia e introdujimos gliadina en su interior. Tras ello, introdujimos el sensor en una disolución de anticuerpos y vimos cómo éramos capaces de detectar el cambio en longitud de onda producido por las uniones antígeno-anticuerpo.

 

Un caso más, por tanto, de ingeniería saludable. Espero que, a pesar de la extensión de la entrada, os hayáis podido hacer a la idea de que tenemos fibra óptica por todos lados. Y que, posiblemente, ya no sólo la tengamos en un futuro esperemos que cercano, ofreciéndonos internet en casa; sino que también la tendremos curándonos en algún momento de nuestra vida.

Gracias por vuestra atención y seguimos leyéndonos ;)