El agua es el enemigo. En la banda de terahercios, esa porción del espectro situada entre las microondas y la luz infrarroja, el agua traga la radiación con más de un millón de veces más avidez que la luz visible. Dirija un haz de terahercios al tejido vivo, que es principalmente agua, y la mayor parte nunca regresa. Durante treinta años, éste ha sido el muro contra el que se toparon continuamente las imágenes de terahercios. Y, sin embargo, resulta que la misma absorción sedienta que arruina la imagen es precisamente lo que podría permitir que estas ondas lean el cuerpo de maneras que la luz ordinaria no puede.
Esa paradoja se encuentra en el centro de una nueva revisión realizada por Kazunori Serita de la Universidad de Waseda y Masayoshi Tonouchi de la Universidad de Okayama, ambos en Japón, publicada en el Journal of Physics Photonics. Argumentan que la biofotónica de terahercios ha pasado dos décadas estancada entre grandes esperanzas y obstinadamente pocos usos reales.
Las esperanzas son fáciles de entender. Las ondas de terahercios no son ionizantes, por lo que no dañan el ADN como lo hacen los rayos X. Atraviesan algunos tejidos con menos dispersión que la luz visible porque su longitud de onda es más larga. Y están exquisitamente sintonizados con la oscilación y la rotación de las moléculas, captando firmas de “huellas dactilares” que delatan lo que realmente es una sustancia. El problema es todo lo demás. La resolución es gruesa porque las longitudes de onda son largas. El hardware es voluminoso, las imágenes lentas y el agua, como siempre, se interpone en el camino.
“La biofotónica de THz es un área de investigación fascinante para las tecnologías biomédicas de próxima generación”, dice Serita. “Actualmente, las aplicaciones biomédicas de THz están restringidas a unos pocos dominios especializados con muchas limitaciones técnicas. Los recientes avances en las tecnologías THz emergentes han aumentado considerablemente el potencial para superar estas limitaciones técnicas”.
Leer contenido, no forma
Aquí está el inteligente replanteamiento. La mayoría de las imágenes médicas, desde la lupa del dermatólogo hasta el escáner de resonancia magnética, analizan la estructura. Terahercios mira el agua. El tejido canceroso tiende a estar más hidratado que el material sano que lo rodea, hinchado con el líquido extra que viene con el rápido crecimiento celular, la inflamación y los nuevos vasos sanguíneos. Entonces, un tumor que se esconde del ojo puede iluminarse en terahercios, no por su apariencia sino por lo húmedo que está. Serita y Tonouchi lo plantean como un método para sondear el “contenido” de una lesión en lugar de su “forma”, y ese es un tipo de contraste genuinamente diferente de cualquier cosa que ofrezca un microscopio óptico.
La piel ha sido el lugar obvio para comenzar, ya que está justo ahí, en la superficie, donde la absorción de agua es menos importante. El diagnóstico del cáncer de piel todavía se basa en una incómoda regla general: en caso de duda, elimínelo. Muchos lunares benignos se extirpan por si acaso. Los terahercios podrían reducir esa incertidumbre, y el trabajo ha pasado de la mesa de laboratorio a los pacientes reales. Un grupo construyó una sonda portátil asistida por un robot, llamada encantadoramente PicoBot, que controla exactamente con qué fuerza presiona la piel y en qué ángulo, luego la llevó a un hospital universitario para escanear a pacientes reales con cáncer de piel.
Curiosamente, el cuidado de las heridas puede estar incluso más cerca de la clínica que el cáncer. Debido a que una quemadura o una cicatriz en curación es fundamentalmente una historia sobre hidratación, y los terahercios leen la hidratación como ninguna otra cosa, la tecnología encaja perfectamente. Los investigadores han utilizado escáneres portátiles de terahercios en quemaduras en modelos animales, clasificando las quemaduras de espesor parcial por gravedad según el estándar histológico de oro, e incluso alimentando las mediciones dieléctricas en redes neuronales para predecir si una herida sanará por sí sola o necesitará intervención. Para el síndrome del pie diabético, donde las zonas secas de la piel de la planta señalan donde se pueden formar úlceras, los mapas de hidratación de terahercios se han alineado con las evaluaciones clínicas de daño a los nervios. Ése es el tipo de victoria silenciosa y práctica que rara vez aparece en los titulares, pero que importa enormemente para las personas a las que ayuda.
El avance es un punto de luz.
Lo que cambia el juego, sugiere la revisión, es un conjunto de nuevas formas de crear y apuntar las olas. Lo más destacado es el microscopio con fuente de terahercios de punto de escaneo, o SPoTS. En lugar de inundar una muestra con un amplio haz de terahercios y luchar contra el límite de difracción, SPoTS enfoca un láser de fibra de femtosegundo en un pequeño punto de un cristal especial, generando una fuente de terahercios más pequeña que la propia longitud de onda de terahercios, justo al lado de la muestra. El resultado es una resolución a escala micrométrica, un escaneo rápido y, fundamentalmente, la capacidad de trabajar en condiciones acuosas, todo ello desde un sistema lo suficientemente compacto y barato (funciona con tecnología láser de fibra) como para imaginarlo fuera de un laboratorio especializado. Con él, el equipo ha resuelto islas individuales de cáncer de mama en etapa inicial de menos de medio milímetro de ancho, e incluso ha mapeado la complicada estructura interna de una cóclea de ratón en tres dimensiones. También está el microscopio químico de terahercios, que lee señales justo en el límite entre la muestra y el chip sensor, evitando el problema del agua al no pedirle al haz que atraviese gran parte de ella.
La cirugía de mama es donde esto podría aterrizar primero. En la cirugía de conservación de la mama, el cirujano quiere extirpar todo el tumor y la menor cantidad de tejido sano posible, pero un patólogo no suele confirmar si los márgenes están limpios hasta días después. Si se hace mal, el paciente volverá para una segunda operación. Una exploración rápida y sin etiquetas de terahercios del bulto extirpado, que diferenciara al DCIS del cáncer invasivo de la grasa normal allí mismo en el quirófano, sería un verdadero premio.
Sin embargo, sería una tontería exagerarlo. Los autores son claros en cuanto a que gran parte del contraste que tanto ha entusiasmado a todo el mundo puede deberse simplemente al contenido de agua disfrazado de algo más específico. Una región húmeda es una región húmeda; llamarlo “biomarcador” específico de una enfermedad requiere respaldar la señal de terahercios con evidencia biológica sólida, histología, ensayos moleculares y el poco glamoroso trabajo de confirmación. También acecha un enigma más profundo. El comportamiento del agua en sí en el rango de los terahercios no se comprende completamente, hasta si los isómeros de espín de la molécula de agua, agua para y orto, dejan su propia marca débil en el espectro. Resuelva eso y todo el campo se volverá más confiable; ignórelo y la ambigüedad se agrava.
Aún así, la dirección del viaje es clara. Los terahercios no vienen a reemplazar al patólogo ni a la resonancia magnética; se está haciendo un hueco como herramienta que ve lo que ellos no pueden ver, el retrato dieléctrico del tejido basado en la hidratación, y cada vez más se combina con la tomografía de coherencia óptica, la espectroscopia infrarroja y Raman para completar las partes que omite. El aprendizaje automático está haciendo el trabajo pesado con las montañas de datos que escupen estos escáneres. Y las aplicaciones van mucho más allá de la clínica, hasta la fabricación de medicamentos, la inspección de alimentos e incluso las pruebas de semiconductores.
“Nuestro estudio proporciona una hoja de ruta de enfoques emergentes que podrían ayudar a transformar el campo de la biofotónica THz desde estudios de prueba de concepto hasta aplicaciones biomédicas prácticas”, dice Serita. Después de dos décadas de espera, las olas que el agua intentó con tanto esfuerzo detener finalmente pueden estar llegando a alguna parte.
DOI / Fuente: 10.1088/2515-7647/ae7490
Preguntas frecuentes
¿Por qué el agua es tan importante para el escaneo de terahercios?
El agua absorbe la radiación de terahercios con más de un millón de veces más fuerza que la luz visible, por lo que los rayos luchan por penetrar el tejido mayoritariamente acuoso del cuerpo. Eso suena como un defecto fatal, y en el caso de las imágenes profundas lo es en gran medida. Pero la misma sensibilidad extrema al agua permite que los terahercios detecten pequeñas diferencias en la hidratación del tejido, que es exactamente lo que cambia cuando el tejido se vuelve canceroso o comienza a sanar.
¿Cómo pueden los terahercios detectar un tumor que las imágenes normales no detectan?
La mayoría de las imágenes leen la forma y estructura del tejido, mientras que los terahercios leen su contenido de agua y sus propiedades dieléctricas. Los tumores de rápido crecimiento tienden a retener más agua que el tejido sano que los rodea, gracias a la proliferación, la inflamación y los nuevos vasos sanguíneos. Eso los hace destacar en una imagen de terahercios incluso cuando a simple vista no parecen llamativos, ofreciendo un tipo de contraste que ningún microscopio óptico proporciona.
¿Se están utilizando ya las imágenes de terahercios en pacientes?
Está saliendo del laboratorio. El trabajo sobre el cáncer de piel ha llegado al punto de escanear a pacientes reales en el hospital utilizando una sonda portátil asistida por robot, y la evaluación de heridas por quemaduras y úlceras del pie diabético se considera aún más cercana al uso clínico rutinario. La mayoría de las aplicaciones aún se encuentran en la etapa de prueba o de prueba de concepto, pero la brecha con la cabecera se está reduciendo.
¿Qué es lo que finalmente hace avanzar el campo después de veinte años?
Una nueva generación de instrumentos compactos y sensibles, sobre todo el microscopio con fuente de terahercios de punto de barrido, que genera una fuente de terahercios más pequeña que la longitud de onda justo al lado de la muestra. Esto ofrece resolución micrométrica, imágenes rápidas y la capacidad de trabajar en condiciones acuosas, desde un hardware lo suficientemente barato como para salir del laboratorio especializado. Combinado con el aprendizaje automático para procesar los datos, está haciendo que los terahercios dejen de ser una curiosidad y se conviertan en una herramienta práctica.
¿Podrían los terahercios ayudar durante la propia cirugía contra el cáncer?
Ése es uno de los objetivos a corto plazo más prometedores. En la cirugía de conservación de la mama, confirmar que no queda ningún tumor en los bordes de lo extirpado suele esperar días por parte del patólogo, y un resultado positivo significa una segunda operación. Una exploración rápida de terahercios del tejido extirpado podría señalar márgenes peligrosos en el quirófano, evitando potencialmente que los pacientes repita la cirugía.
Nota rápida antes de seguir leyendo.
ScienceBlog.com no tiene muros de pago, ni contenido patrocinado, ni ningún objetivo más allá de hacer la ciencia correcta. Cada historia aquí está escrita para informar, no para impresionar a un anunciante o promover un punto de vista.
El buen periodismo científico requiere tiempo: leer los artículos, comprobar las afirmaciones, encontrar investigadores que puedan poner los hallazgos en contexto. Hacemos ese trabajo porque creemos que es importante.
Si encuentra útil este sitio, considere apoyarlo con una donación. Incluso unos pocos dólares al mes ayudan a mantener la cobertura independiente y gratuita para todos.