Luz para ver, diagnosticar y curar

La fotónica incluye las ciencias que estudian la luz y las tecnologías derivadas. El Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), situado en Castelldefels, es uno de los centros catalanes con decenas de investigadores dedicados a mejorar los diagnósticos médicos y la efectividad de las terapias, y a profundizar en el origen de los procesos biológicos.

© Òscar Julve

Al examinar una lámina de corcho bajo su microscopio de cincuenta aumentos, Robert Hooke distinguió un tejido de cavidades regulares a las que llamó cells (celdas). Era 1665, y Hooke acababa de descubrir las células, que más adelante se postularían como los elementos vivos más pequeños. Desde entonces el conocimiento de los detalles del nacimiento, el metabolismo, la reproducción, la diferenciación y la muerte de las células ha ido aumentando con la potencia de las lentes. La biología celular nace y se desarrolla con la microscopía. En el horizonte, los misterios fundamentales de la vida.

A mediados del siglo XIX, pues, Carl Zeiss (cuya pequeña fábrica de microscopios es ahora líder mundial, con el lema “Nosotros lo hacemos visible”) contrató al académico Ernst Abbe para llevar al límite la capacidad de sus lentes. Lamentablemente, Abbe lo encontró pronto. Debido a que la luz es una onda, la difracción restringe la resolución de una imagen a detalles de tamaño comparable a la longitud de onda de la luz utilizada. Esto significa 200 millonésimas de milímetro para la luz visible; un pelo es quinientas veces mayor. Gran parte de la vida interior de las células queda por debajo del límite de Abbe. ¿El alcance de la biología celular morirá, también, con el límite de la microscopía?

Los virus hackean los mecanismos celulares para replicarse dentro de un organismo. El cáncer es resultado de un fallo en la regulación de la reproducción celular, por lo que visualizar estos procesos in vivo es crucial para remediarlos. Sin embargo, ocurren más allá del límite de Abbe y, por tanto, son imposibles de distinguir con claridad. Tal perspectiva horrorizó al joven físico Stefan Hell, quien para pasmo de su entorno científico se propuso a finales del siglo xx encontrar una manera de burlar el límite de Abbe. Por fortuna para Hell, el desarrollo del láser, la nanotecnología, el tratamiento de las muestras a nivel molecular y una buena dosis de ingenio le permitieron tener un control minucioso de la interacción de la luz con la muestra, hasta el punto de controlar la luz emitida desde regiones diminutas. En el 2014 compartió el Premio Nobel de Química con Eric Betzig y William Moerner por la invención de la microscopía de superresolución.

© Albert Armengol
Experimentos con láser en las instalaciones del Instituto de Ciencias Fotónicas.

En el siglo XXI la superresolución se ha seguido desarrollando gracias a la clásica colaboración entre la física y la biología. En el último número de la revista Cell se han publicado las imágenes de resolución nanométrica de la estructura nanométrica del ADN, fruto de la colaboración de los grupos dirigidos por Melike Lakadamyali y María García-Parajó en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), y Maria Pia Cosma en el Centro de Regulación Genómica (CRG). Los resultados se relacionan con el empaquetado de información genética del ADN y han permitido esclarecer en un nivel más el proceso de diferenciación de las células madre. En el horizonte, los misterios fundamentales de la vida.

Pero la fotónica no es el único campo que se ha desarrollado tras el prefijo bio. Bioingeniería, bioinformática, biomatemática…, son numerosas las disciplinas convocadas por los enigmas de la biología y favorecidas por el avance de la nanotecnología. Y son numerosos también los centros de investigación de Barcelona, como el Instituto de Investigación Biomédica (IRB Barcelona), el Centro de Regulación Genómica (CRG), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), el Instituto de Investigaciones Biomédicas August Pi i Sunyer (IDIBAPS) y el Instituto de Investigaciones Biomédicas de Bellvitge (IDIBELL), junto con grupos de varias universidades y hospitales y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, que cuentan con decenas de investigadores dedicados a mejorar los diagnósticos y la efectividad de las terapias y a profundizar en el origen de los procesos biológicos. Entre ellos está el ICFO.

© Albert Armengol
Maria Pia Cosma, investigadora del Centro de Regulación Genòmica.

Métodos no invasivos

Porque, aunque es natural comenzar un artículo sobre el uso de la luz en biomedicina hablando de la capacidad de ver, la luz sirve también para diagnosticar y curar. Por ejemplo, el grupo liderado en el ICFO por Romain Quidant usa nanopartículas metálicas para detectar determinadas sustancias en un fluido. Estas nanopartículas se cubren con anticuerpos diseñados para unirse específicamente a ciertos antígenos (patógenos, marcadores biológicos propios de células tumorales o cualquier otra sustancia de interés) y luego se iluminan. La respuesta de las nanopartículas a la luz depende de si están libres o ligadas a la molécula en cuestión, y revela, por tanto, su presencia y su concentración. Se trata de un método no invasivo y de sensibilidad finísima, que permite un diagnóstico temprano y monitorizar la efectividad de una terapia, ajustando al límite su intensidad según los resultados obtenidos.

Otro ejemplo de diagnóstico y control de terapia se investiga en el Grupo de Óptica Médica del ICFO, liderado por Turgut Durduran. En este caso se estudia el modo en que la luz es absorbida o desviada al atravesar la sangre y los tejidos. En contextos especialmente frágiles y con dependencia crucial del tiempo de reacción, como en recién nacidos con déficit de oxigenación cerebral, el seguimiento no intrusivo, instantáneo e in situ del flujo resulta una herramienta insustituible. El Grupo de Óptica Médica lleva a cabo este programa con la participación de varios hospitales y centros de investigación, como el Vall d’Hebron, el IDIBAPS o el IDIBELL. En el Hospital Clínic se ensayan diagnósticos de cáncer y el control de la administración de la anestesia durante una operación, mientras que en el Hospital de la Santa Creu i Sant Pau se monitoriza la efectividad de terapias en pacientes que han sufrido un ictus cerebral o que están afectados por la apnea obstructiva del sueño.

Que la interacción de la luz con tejidos humanos, moléculas fluorescentes o nanopartículas tenga tantas aplicaciones en biomedicina es mérito, en resumen, del fabuloso desarrollo en el arte de generar y emitir luz, detectarla, apagarla y volverla a encender, guiarla, manipularla, amplificarla…, eso que llamamos fotónica, una disciplina que incluye todas las ciencias que estudian la luz y las tecnologías que se basan en ella, considerada por la Unión Europea como una de las siete tecnologías habilitadoras clave para el siglo XXI.

Todos los programas de salud y biofotónica del ICFO cuentan con el apoyo de la Fundación Mir Puig, la Fundación Cellex y la Obra Social “la Caixa”.

Marta García-Matos

Gerente de proyectos de divulgación científica del Instituto de Ciencias Fotónicas

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