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jueves, 25 de septiembre de 2014

Campos magnéticos para diagnosticar la malaria



Un aspecto crucial de la lucha contra la malaria es la diagnosis de la enfermedad. Hasta ahora, la técnica estándar usada para determinar si una persona sufre dicha enfermedad consiste en tomar una muestra de sangre y observarla bajo el microscopio para ver si el trofozoíto de Plasmodium falciparum está presente en el interior de los glóbulos rojos. Lo malo es que este procedimiento es caro y lento, ya que requiere que las muestras deban ser procesadas y observadas por un técnico muy bien entrenado en un laboratorio con un buen microscopio. Además, cuanto más temprano sea el diagnóstico, mejor tratamiento se puede dar a la persona afectada. Pero en la fase temprana puede haber entre 5 a 10 trofozoítos por microlitro de sangre, y si un microlitro tiene entre 4 a 5 millones de glóbulos rojos nos podemos hacer una idea de lo difícil que es pillar a esos pequeños HdP. De hecho, generalmente cuando se diagnostica la enfermedad los niveles alcanzados suelen ser de unos 50 trofozoítos por microlitro de sangre y el paciente ya está desarrollando lo síntomas característicos.

Izquierda: Muestra de sangre en el que puede observarse un trofozoíto en el interior de un glóbulo rojo (origen de la imagen: Wikipedia). Derecha: ciclo del Plasmodium en el interior de los glóbulos rojos (Fuente de la imagen: CDC)


No es de extrañar que haya mucho interés en desarrollar un método rápido, barato y sencillo para diagnosticar la malaria. Como es lógico más de un grupo ha intentado desarrollar algún kit de diagnóstico basado en algún tipo de técnica de Biología Molecular o en un ensayo inmunológico. Pero todos los desarrollados hasta el momento son caros y no tan sensibles como se esperaba. El umbral de detección está en torno a los 100 trofozoítos por microlitro, el doble de los niveles detectables por un buen técnico. Afortunadamente la Física y la Química han venido en ayuda de la Microbiología Clínica.

En el año 2012 un grupo búlgaro liderado por I. Kezsmarki describió un método basado en la detección de un metabolito generado por el parásito cuando digiere a los glóbulos rojos desde dentro. Los hematíes son fundamentalmente bolsas de hemoglobina, y P. falciparum la digiere para así obtener aminoácidos. Al destruir la hemoglobina, se libera el grupo hemo acomplejado con el hierro. Pero el grupo hemo es un compuesto bastante tóxico que podría destruir al parásito. Así que lo que hace P. falciparum es transformarlo en hemozoína, un compuesto insoluble que precipita formando unos cristales cilíndricos de color marrón debido al hierro que contienen.

A: Estructura de la hemozoína. Los grupos hematina interaccionan entre sí gracias a una serie de enlaces de hidrógeno formando una estructura cristalina. B: Cristal de hemozoína producido por P. falciparum. C: Cristales de hemozoína bajo la luz polarizada. D: Un glóbulo rojo invadido por P. falciparum. En la parte de la izquierda puede observarse un cuerpo residual de color marrón que está compuesto por cristales de hemozoína. Fuente de las imágenes: Wikipedia


Los investigadores bulgaros pensaron acertadamente que dichos cristales debían de comportarse como unos pequeños imanes y que podrían ser detectados mediante el uso de un campo magnético. Cuando la sangre de un infectado por malaria se ponía bajo la acción de un campo magnético oscilante, estos cristales comenzaban a girar y se ordenaban sobreponiéndose a las perturbaciones térmicas. Además, estos cristales son anisotropos, por lo que actúan como unos polarizadores de la luz, lo cual permite que se puedan detectar de manera bastante precisa . Ventaja de este procedimiento: se detectaban hasta 10 trofozoítos por microlitro. Desventaja: se necesitaba un aparato de Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (la conocida como NMR) tremendamente cara y grande acompañada de un técnico entrenado.

Cristales de hemozoína sometidos a un campo magnético oscilante. En (a) los cristales están en suspensión y el campo magnético es nulo (B=0). Si se les somete a un campo magnético (b y c), los cristales se alinean, pero debido a las fluctuaciones térmicas el alineamiento se acaba perdiendo. Si se hace oscilar el campo magnético (d y e)  los cristales de hemozoína comienzan a rotar, con lo que se consigue contrarrestar el efecto de las fluctuaciones térmicas y al final los cristales quedan alineados. Fuente de la imagen: Butikay et al. Scientific Reports


Pero ahora el grupo liderado por Jongyoon Han, del Singapore-MIT Alliance for Research and Technology Centre ha desarrollado un método para analizar una muestra tan pequeña como 10 microlitros de sangre, para el que no se necesita ningún técnico superentrenado y que no necesita un equipamiento excesivamente caro. En el año 2010 Ralph Weissleder y Hakho Lee consiguieron fabricar un equipo NMR mucho más pequeño y barato y basándose en su experiencia el gruo de Han han conseguido diseñar un equipo en miniatura de Relaxometría de Resonancia Magnética (MRR por sus siglas en inglés). La MRR es un tipo de NMR (sí, parece un trabalenguas). Adicionalmente, la técnica de detección desarrollada permite detectar a la hemozoína en muestras de sangre sin necesidad de procesarlas y a unos niveles de hasta 10 trofozoítos por microlitro, mucho antes de que el paciente empiece a mostrar algún síntoma por lo que se puede empezar a tratar de manera temprana. Eso es muy importante si tenemos en cuenta que los países afectados por la malaria suelen ser países en vías de desarrollo con recursos y personal muy limitados.

Sistema portátil de Relaxometría por Resonancia Magnética desarrollado por Weng Kung Peng, Lan Chen y Jongyoon Han. Pesa unos 250 gramos y sus dimensiones son de 16 x 9 cm. El campo magnético de 0,76 Teslas es generado por unos imanes del tamaño de una moneda. Origen de la imagen: MIT


¿Cuáles son los "peros"? en primer lugar todavía es una técnica experimental. Se ha probado con muestras de ratón y con el parásito cultivado en condiciones de laboratorio. Se tiene que realizar un test en condiciones reales con un gran número de muestras clínicas. Quizás factores como la genética o la dieta del paciente podrían afectar al resultado. También está descrito que hay casos clínicos en los que los niveles de hemozoína no son muy elevados por lo que quizás la enfermedad no sería detectada. De todas formas, está claro que es un avance significativo.

Este blog participa en la XLII Edición del carnaval de la Física alojado en High Ability Dimension, en la XXXIX edición del carnaval de la Química alojado en Gominolas de petróleo y en la XXXII edición del Biocarnaval alojado en Scykness.

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Butykai, A., Orbán, A., Kocsis, V., Szaller, D., Bordács, S., Tátrai-Szekeres, E., Kiss, L., Bóta, A., Vértessy, B., Zelles, T., & Kézsmárki, I. (2013). Malaria pigment crystals as magnetic micro-rotors: key for high-sensitivity diagnosis Scientific Reports, 3 DOI: 10.1038/srep01431

Skinner, N. (2014). Quick test for malaria shows promise Nature DOI: 10.1038/nature.2014.15796

Peng, W., Kong, T., Ng, C., Chen, L., Huang, Y., Bhagat, A., Nguyen, N., Preiser, P., & Han, J. (2014). Micromagnetic resonance relaxometry for rapid label-free malaria diagnosis Nature Medicine, 20 (9), 1069-1073 DOI: 10.1038/nm.3622