DIRECTO DIRECTOR GENERALRIO Dr. Elder de la Rosa Cruz [email protected] DIRECTOR DE INVESTIGACIÓN Dr. Gabriel Ramos Ortiz [email protected] DIRECTOR DE FORMACIÓN ACADÉMICA Dr. Luis Armando Díaz Torres [email protected] DIRECTOR DE TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN Dr. Gonzalo Páez Padilla [email protected] DIRECTOR ADMINISTRATIVO Lic. Silvia Elizabeth Mendoza Camarena [email protected]
Loma del Bosque 115 Col. Lomas del Campestre C.P. 37150 León, Guanajuato, México Tel. (52) 477-441-42-00 www.cio.mxPERSONAL · NOTICIOEditor AdministrativoElder de La Rosa.Editores CientíficosVicente Aboites, Mauricio Flores, Alfredo Campos.Reportajes y EntrevistasEleonor León.Diseño EditorialLucero Alvarado.ColaboracionesAbundio Dávila, Daniel Malacara, María del SocorroHernández, Cynthia Villalobos, Fernando Mendoza, Juan LuisPichardo, Gabriel Ramos, Mario Rodríguez, Tzarara López,Enrique Castro, Valeria Piazza.
EDITO- ELDER DE LA ROSA En los últimos años, en el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) hemos enfo- cado nuestra investigación de manera que las actividades en la generación de co- nocimiento, formación de recursos humanos y vinculación con la industria impac- ten en los sectores de: energía, salud, manufactura avanzada y alimentos. Es decir, promovemos que nuestra investigación esté orientada a la atención de las necesi- dades de sectores estratégicos para la región y para el país. Además, incentivamos el desarrollo de proyectos que alcancen como producto final un prototipo. La primera acción nos ayuda a mejorar la pertinencia de nuestra investi- gación, la segunda, nos ayuda a que ese conocimiento generado se traduzca en un desarrollo tecnológico. Aunque ya estamos obteniendo los primeros resul- tados, falta mucho por hacer, pero en un futuro muy cercano estos avances se convertirán en nuevas empresas de alto contenido tecnológico en el área de la óptica y fotónica. La óptica y fotónica juega un papel muy importante en el desarrollo de técnicas e instrumentación para la detección, imagen, diagnóstico y terapia de muchos trastornos de salud. La óptica médica y biofotónica tiene un mercado mundial estimado mayor a los 26 billones de dólares y se espera alcance los 50 billones para el 2020. Esto explica la relevancia de que las aplicaciones en salud sean un área estratégica de nuestra investigación y desarrollo tecnológico. Además de otras acciones, el CIO forma parte de siete consorcios, uno de ellos para la investigación de salud traslacional e innovación, en la que participan 13 institutos de salud de la Secretaría de Salud (SSA), 9 de la UNAM y 11 centros del sis- tema CONACYT, de los cuales el CIO es uno de ellos. La idea es conjuntar esfuerzos para el desarrollo tecnológico e innovación en este sector estratégico, no solo por el valor del mercado, sino también para apoyar el sector salud del país, especialmente para promover acciones más preventivas y menos correctivas.
En este número de nuestro NOTICIO presentamos algunos resultados de la in-vestigación que hacemos en torno al sector salud. Los lectores podrán conocerla aplicación de pruebas ópticas no destructivas basadas en interferometría, quea través de la interacción de una señal láser con el material biológico es posiblepoder detectar la presencia de tumores. Interesante si se considera además, queestas técnicas han sido ampliamente utilizadas en procesos de control de calidaden manufactura avanzada. También conocerán cómo la nanofotónica está siendo utilizada para ladetección, imagen, diagnóstico y terapia de cáncer y otros desordenes. Esta am-pliamente publicado en la literatura especializada que cuando ciertas nanopar-tículas se conjugan con anticuerpos u otro tipo de moléculas, permiten que éstasse adhieran en forma selectiva donde hay un exceso de moléculas (moléculassobre expresadas) por un desorden particular, lo que garantiza una detecciónaltamente selectiva. Además, es posible detectar niveles de concentración deproteínas sobre expresadas muy bajas, lo que facilitaría el éxito de la terapia almismo tiempo que acerca más la posibilidad de tener una medicina preventiva. Otro tema relevante que presentamos, es sobre la diabetes y sus efectos,en particular sobre sus efectos en la salud visual, lo que se llama: retinopatíadiabética y el problema del pie diabético. El primero, se realiza principalmentedesde nuestro laboratorio nacional de óptica de la visión y el segundo, desdenuestro laboratorio nacional asociado de terahertz. Espero disfruten de este número del NOTICIO y que a través de él constru-yan una idea global de cómo desde la óptica y fotónica se apoya al sector salud. Dr. Elder de la Rosa Cruz Director General Centro de Investigaciones en Óptica, A.C.RIAL
NOTICIO INDICEEn el CIO realizamos investigación básica, tecnológicay aplicada que incrementa nuestro conocimientoy nos permite resolver problemas tecnológicos yaplicados vinculados con la óptica. En particular enlas áreas de: pruebas no destructivas, holografíay materiales fotosensibles, visión computacional einteligencia artificial, óptica médica, instrumentación,infrarrojo, materiales fotónicos inorgánicos y orgánicos,nanomateriales, láseres y aplicaciones, espectroscopía,fibras ópticas, sensores, opto-electrónica, cristalesfotónicos, comunicaciones y dinámica de sistemascomplejos. Este trabajo se realiza por investigadoresdel CIO o en colaboración con empresas e institucionesacadémicas nacionales y extranjeras. NotiCIO es unapublicación trimestral que tiene como objetivo dar aconocer a una audiencia amplia los logros científicosy tecnológicos del CIO para ayudar a que éstos seancomprendidos y apreciados por su valor para losciudadanos, para nuestro país y para el mundo. ElCIO pertenece al Sistema de Centros Públicos deInvestigación Conacyt del Gobierno Federal. Mayorinformación sobre el CIO puede obtenerse en el sitiowww.cio.mxCIOmx Centro de Investigaciones @CIOmx en Optica A.C.
C O N T E N I D O N o. C A TO RC E 2O17EDITORIAL 4 Dr. Elder de la Rosa.11 Integridad estructural en huesos diabéticos 50 Desarrollo de nanomateriales orgánicos teranósticos15 Detección de cáncer de mama, 56 Puntos cuánticos en biomedicina con pruebas ópticas no desctructivas22 Actividades en el Laboratorio Nacional de 62 Diabetes óptica de la visión24 Nanofotónica para la detección, imagen y 66 Laboratorio de muestras biológicas terapia de cáncer y otros desórdenes30 Cámara de fondo de ojo para el diagnóstico 70 Recuadro: de retinopatía diabética Aplicaciones médicas de la impresión 3D36 Estudio de propiedades biomecánicas de 72 Premio Nobel de fisiología o medicina, piel para la detección temprana de tumores el funcionamiento de nuestro reloj interno42 Caracterización de muestras biológicas 76 Lista de publicaciones recientes46 Nanociencia en el CIO 7 NC
ARTÍCULO 10
integridad estructural enhuesos diabéticos ABUNDIO DÁVILALa Organización Mundial de la Salud estima en de huesos. Para lograr este estudio, el laboratorioel 2012, que en el mundo existen más de 347 mi- de Metrologia II del CIO, ha implementado las téc-llones de personas con diabetes, cifra que se dupli- nicas de interferometría de moteado (Speckle)cará para el año 2030 si la tendencia actual conti- para lograr medir la deformación de los huesosnúa. La diabetes ha sido asociada con cambios en diabéticos sujetos a cargas mecánicas. Esto se lo-las características del hueso, lo que implica que gró, gracias a las muestras de huesos provenientestambién existe un riesgo considerable de aumento de roedores proporcionadas por la colaboraciónen las fracturas de huesos. del Cuerpo Académico de Estudios del Sistema Cuando las estructuras mecánicas resultan Nervioso de la Universidad de Guanajuato (CA-afectadas por fracturas, o cambios de sus propie- MESNe-UG).dades mecánicas tales como su módulo de elas- Los retos que la ingeniería enfrenta en laticidad, la integridad estructural puede dañarse, inspección de estructuras mecánicas tradicionales,produciendo muchas veces un daño irreversible. se complican cuando se analizan componentes ta-Con el propósito de estudiar y preservar la salud les como huesos del cuerpo humano. La integridadde personas afectadas por la diabetes, en el Centro o la preservación de las propiedades mecánicas dede Investigaciones en Optica se estudia las conse- los huesos, solo se logra, cuando las estructuras secuencias de la diabetes en la integridad estructural conservan sin daño al ser sometidas a cargas repe- 11 NC
ARTÍCULOtidas veces. Cualquier cambio de las propiedades Las mediciones obtenidas de los huesos (Fig. 2) almecánicas normales del hueso puede degenerar aplicar carga a lo largo de su eje vertical, para roe-en la afectación de la salud, pérdidas económicas, dores sanos y enfermos debido a complicacionesy afectaciones emocionales substanciales en los de Diabetes Mellitus II, muestran que los huesosindividuos aquejados por la diabetes. afectados por la Diabetes resultan ser más flexi- El entendimiento de la estructura del hueso bles a niveles de deformación micrométricos.es trascendental, ya que este cambia sus propie- Por lo tanto, los estudios de las propieda-dades mecánicas debido a cambios en la salud o des mecánicas de los huesos, ayudan al entendi-envejecimiento, y se tiene hasta el momento una miento de cómo estos funcionan bajo diferentesapreciación limitada de su funcionamiento bajo condiciones de carga, así de cómo se dañan, o des-diferentes condiciones de carga, así del cómo se de otro punto de vista; cómo se pueden prevenirerosionan y dañan. con anticipación los posibles daños del hueso para En el CIO se estudia el comportamiento es- lograr la preservación de su salud. En un futuro, setructural de los huesos, utilizando para ello huesos espera que el estudio de las propiedades mecáni-tibiales pequeños de roedores. Para esto se diseñó cas del hueso, dé lugar a técnicas de diagnósticoy construyó un interferómetro de moteado (Fig. 1) in-situ para detectar el avance de esta enfermedad,para poder lograr mediciones de desplazamientos o de enfermedades similares como la osteoporosis,en 2D del hueso al aplicársele cargas mecánicas. y evitar a tiempo los posibles riesgos a la salud. 12
Fig. 1.- Interferómetro expandido de moteado que muestra sus Fig. 2.- Deformación de un hueso al aplicar carga a lo largo decomponentes, con aparato de carga del hueso para la medición su eje vertical.de sus deformaciones. 13 NC
ARTÍCULO 14
detección de cáncer de mamacon pruebas ópticas no destructivas MARÍA DEL SOCORRO HERNÁNDEZLas pruebas ópticas no destructivas permiten detectar cambiosde diferente índole en la totalidad de la superficie de un objeto bajoanálisis, esto sin hacer contacto físico alguno que pudiera interferiren su integridad sin alterar el estado de comportamiento y/o estruc-tura de la muestra que se quiera analizar. Este tipo de pruebas hanprobado ser una herramienta poderosa en la medición de vibracio-nes, propiedades mecánicas y aplicaciones en diferentes campos delconocimiento de frontera con una resolución espacial desde pocoscientos de nanómetros hasta diez micrómetros. Los datos que se ob-tienen son mostrados en imágenes de mapas de fase óptica en 3Ddel campo total del objeto a estudiar en tiempo real. Por lo tantoson adecuadas para la detección de cáncer de mama. 15 NC
Una de las enfermedades de mayor incidencia en con un estimado de 1,671,149 nuevos casos diag-la población mundial es el cáncer. Este padeci- nosticados anualmente y con una prevalencia demiento se da a raíz del crecimiento descontrola- 6,232,108, lo que representa el 36.3%. En los paí-do de las células al alterarse los mecanismos de ses desarrollados presentan una mayor inciden-división y muerte celular, lo que genera el desa- cia (excepto Japón).rrollo de tumores o masas anormales, las cuales Es la causa con mayor mortalidad en la mu-se pueden presentar en cualquier parte del orga- jer con 521,907 defunciones anuales, lo que repre-nismo, dando lugar a más de 100 tipos de cáncer senta un 14.7%, de las cuales ocurren más en paí-que se denominan según la zona de desarrollo, ses desarrollados. La tendencia de la mortalidadpor ejemplo: cáncer de mama, cáncer de colon, es ascendente debido a una mayor incidencia detumor cerebral, etc. El cáncer de mama es la neo- la enfermedad por el aumento de la esperanza deplasia más frecuente en la población mundial y la vida al nacimiento, cambios de estilos de vida y laprimera causa más frecuente entre las mujeres relación entre el cáncer y la obesidad.16
Antecedentes 3D usados, estos estímulos fueron ondas sonoras eEl Grupo de metrología óptica (GMO) del CIO es impulsos transitorios.pionero en aplicar pruebas ópticas no destructi- Los resultados fueron exitosos, donde se rea-vas orientadas a la investigación en biomedicina, lizaron pruebas para detectar tumores e inhomoge-bioingeniería y caracterización de tejidos en su su- neidades de diferentes tamaños, logrando diferenciarperficie. Siendo una de ellas el estudio de tumores el tipo de tumor y su ubicación en el plano X, Y. Otromalignos “cancerígenos” y benignos “fibroadeno- resultado importante fue al emplear la transmisión demas” de la glándula mamaria empleando un mo- un impulso transitorio a través del modelo registran-delo ad-hoc. do imágenes a varios tiempos de propagación, donde La detección se llevó a cabo por óptica co- se manifestó el tumor a un tiempo específico de inci-herente por medio de la generación de mapas de dencia con el impulso logrando localizarlo acertada-fase desenvueltos que representan proyecciones a mente en profundidad (eje Z). Estas pruebas nos danla respuesta del modelo a los campos acústicos en una imágenes de campo completo de la muestra. 17 NC
AvanceExperimentos preliminares en el tórax y glándula mamaria de humanos.a) b) c)Figura 1. a)Glándula mamaria y tumor amplificado b) pezón derecho del objeto recuperado c) parte superior e inferior de la glán-dula mamaria después de 800 µs de iniciada la prueba, dando como resultado dos lóbulos “valle y cresta”.Esta prueba se realizó con holografía digital de alta mente los cambios oscilatorios de ciertas frecuen-velocidad a razón de 5000 cuadros/s, con un regis- cias temporales, cuyo análisis dará información detro de imágenes desde 200 µs hasta 1400 µs, con la homeostasis y posibles anomalías en desarrolloestimulo de mínima perturbación el cual es el latido temprano. Se ha encontrado que existe un compor-del corazón. El experimento en humanos demues- tamiento oscilatorio que se expresan en distintastra que la técnica óptica puede resolver dinámica- células que pueden llegar a conformar el tumor. 18
ARTÍCULOComprobación experimental en alta resolución procedimientos se han aplicado para describir elespacial y temporal de modelos numéricos del crecimiento de tumores.crecimiento de tumores Con el objetivo de comprobar los resul-Teóricamente se ha analizado y examinado pa- tados teóricos y hacerlos validos, encontramostrones en el espacio y tiempo en la superficie de experimentalmente la formación de patrones es-un objeto esférico debido a un proceso activa- pacio-temporal en la superficie de un objeto se-dor-inhibidor químico para lograr modos está- mi-solido esférico empleando el método de ho-ticos. Dichos patrones cambian conforme existe lografía digital interferométrica a alta velocidad.un crecimiento del objeto “tumoraciones”. Dichas Medimos resonancias con cámara rápida a 5000investigaciones se llevan a cabo usando herra- cuadros/s, los cuales mostraron una concordanciamientas y algoritmos matemáticos (Turing). Estos de 80%, con los datos teóricos.Figura 2. Resultados de aplicar a una esfera elástica las pruebas ópticas, y donde los mapas de fase óptica envueltos, que en sí mis-mos son los patrones del comportamiento de geometrías 3D, puedan comprobar modelos numéricos del crecimiento de tumores. 20
ARTÍCULOactividaDES EN ELLABORATORIO NACIONAL DEÓPTICA DELA VISIÓNDANIEL MALACARAEl Laboratorio Nacional de Óptica de la Visión se estableció en elCentro de Investigaciones en Óptica en 2015 con el apoyo del Con-sejo Nacional de Ciencia y Tecnología. La idea original del Labora-torio era y sigue siendo primordialmente la de hacer investigaciónen el amplio campo de la visión humana. El adjetivo amplio se usapara enfatizar el hecho de que la investigación del ojo humano es uncampo interdisciplinario que requiere de la participación de investi-gadores tanto en la rama de la física, como en la de la medicina. Estotrae, una mayor complicación pero también mayor interés y atracti-vo para llevarlo a cabo. Las investigaciones que actualmente se llevan a cabo son pri-mordialmente en el desarrollo de instrumentación para la medicióny observación de algunos elementos del ojo humano, sin descuidarel aspecto matemático tan necesario para la interpretación de losdatos experimentales proporcionados por los instrumentos de ob-servación. En este campo ya tenemos en el Centro de Investigacionesen Óptica, una tradición de varios años, pues hemos publicado unabuena cantidad de artículos de investigación en este campo. 22
Como primer paso para la iniciación del laborato- síntomas que generalmente ya es en una etapa tar-rio se adquirió y se instaló un completo Labora- día, cuando ya el organismo presenta daños irre-torio de Oftalmología, donde se están llevando a versibles. Como parte de este proyecto se pretendecabo exámenes completos del ojo humano. Para realizar una cámara de fondo de ojo. Esta cámaraello contamos con el apoyo y entusiasmo decidido es un instrumento que nos permitirá observar elde dos oftalmólogos, que son el Dr. Alberto Her- interior del ojo, así se pueden detectar anomalíasnandez y la Dra. Cynthia Villalobos. Los exáme- en la retina muy comunes cuando la diabetes estánes oftalmológicos aquí realizados tienen un do- presente, aunque todavía no presente síntomasble propósito, usar los resultados en trabajos de externos importantes. Un ejemplo de una imageninvestigación tanto instrumental como médica y de la retina humana sin síntomas de diabetes sepor otro lado, prestar un servicio de salud tanto al muestra en la siguiente figura:personal asociado al Centro de Investigaciones enÓptica, como a cualquier otra persona externa quelos requiera. El Laboratorio Nacional de Óptica de la Vi-sión es uno de los más completos y equipados enel país, por lo que podremos realizar aquí estudiosque en otra parte del país no son posibles. Un ejem-plo de estudio sumamente importante que planea-mos realizar es el de la diabetes, que se puede de-tectar de manera muy directa, en la observación dela retina humana. La diabetes es un problema desalud muy grave en nuestro país y que cada vez esmás intenso, por lo que es necesario implementarexámenes sencillos, para la detección temprana deesta enfermedad antes de que se manifiesten los 23 NC
nanofotónica para ladetecciónimagen y terapiade cáncer y otros desórdenesELDER DE LA ROSA 24
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Más de 120 millones de personas serán diag- Las NPs son materiales con diferentes formas me-nosticadas con cáncer en algún momento de su nores a 100 nm por lo menos en alguna de susvida y se estima que en este año morirán de este dimensiones -un nanómetro (nm) es una milloné-padecimiento más de 550,000. Dentro de las al- sima de un milímetro (en el diámetro de un gló-ternativas para su diagnóstico y tratamiento, está bulo rojo podrían caber aproximadamente 1000el desarrollo de nanopartículas (NPs) que puedan nanopartículas, por ejemplo)- ofreciendo propie-detectar moléculas sobre expresadas o asociadas dades ópticas que no se presentan en partículas deal desorden específico. Estas NPs pueden brindar tamaños mayores. La producción e interacción dela oportunidad de hacer un diagnóstico temprano la luz con estas NPs ofrece amplias posibilidadese incluso determinar la posibilidad de detectar el de aplicación y ha dado lugar a la nanofotónica.riesgo de presentar la enfermedad o no. De esta Para las aplicaciones biomédicas, típicamente semanera, la investigación de NPs ha ganado gran activan con un anticuerpo completo o un péptidoaceptación por ser, a la vez, altamente sensible y al que se adhieren en forma selectiva, a moléculasselectiva; siendo así, que en la actualidad existe un sobre expresadas por el desorden particular quegran auge en este campo de la investigación alre- se encuentran ya sea alrededor o al interior de ladedor del mundo. célula dañada o en algún tipo de fluido. Su presen- 26
Panel 1. (a) Solución coloidal de NPs de Au con diferentes tamaños. (b) Células cancerígenas de epidermis, A-431, marcadas y nomarcadas con NPs de Au. El amarillo es falso color asociado a las NPs de oro. d) Imagen de una célula de epidermis.cia se determina a través de la detección de las NPs magnitud respectivamente, más que otras NPs oya sea por técnicas ópticas como fotoluminiscen- moléculas. Las propiedades ópticas de este tipo decia (FL), absorción (Ab) o por esparcimiento de luz nanopartículas dependen de su forma y tamaño,(EL). El pequeño tamaño de las NPs, que es tres de este modo es posible sintonizar la luz absorbi-órdenes de magnitud menor a los glóbulos rojos y da y esparcida desde la región visible del espectroblancos, este último de una milésima de milímetro, hasta el cercano infrarrojo. Esta propiedad es laasí como el intenso efecto óptico y la selectividad que permite tener soluciones coloidales de dife-lograda a través de la funcionalización, hacen de rentes colores. En nuestro Grupo de Investigaciónesta tecnología una excelente herramienta para las utilizamos para la detección e imagen de célu-la detección tanto en el diagnóstico temprano y las cancerígenas en cáncer de piel. Hemos demos-oportuno, así como la terapia contra el cáncer y trado que los altos niveles de luz esparcida permi-otros desordenes. ten detectar concentraciones bajas de NPs y con Las NPs de oro (Au) son las que mayores ello de las proteínas sobre expresadas y las célulasposibilidades médicas ofrecen en parte debido a que las producen. Este efecto, combinado con laque son altamente biocompatibles y también por- especificidad de adherencia a las células dañadasque esparcen y absorben la luz 10 y 5 ordenes de debido a la funcionalización, permite la detección 27 NC
ARTÍCULOtemprana de células cancerígenas y así iniciar el Estas NPs también las hemos utilizados para mar-tratamiento en forma oportuna. Ver panel 1. car cáncer cervical donde es posible identificar laLa luz absorbida por las NPs de Au produce un in- deformación del núcleo de la célula que permitecremento de temperatura suficiente para quemar establecer el estadio del cáncer. Ver panel 2.las células a la que están adheridas, a esto se le Recientemente hemos envuelto estas NPsconoce como terapia fototérmica. Dada la alta se- en un material poroso al que se le puede cargar unlectividad de las NPs solo se destruyen las células medicamento para combatir el cáncer, se funciona-cancerígenas, a diferencia de otros métodos donde liza y con ello se adhiere de forma selectiva a lasla terapia afecta tanto a células buenas como a las células dañadas. Esta selectividad mejora el efectomalignas. La eficiencia de este método depende del medicamento pues así este afecta solamente adel tamaño de la NP; tamaños pequeños absorben la región de interés además de que evita daños co-más pero dispersan menos luz. El reto es lograr el laterales. Este sistema permite además monitorearbalance adecuado para ver y destruir las células el efecto del medicamento o terapia, a esto se le co-cancerígenas. Los resultados obtenidos hasta aho- noce como teranóstica. Hemos usado estas NPs te-ra son prometedores, sin embargo para una apli- ranósticas para la detección y terapia de cáncer decación in vivo la penetración de la luz es restrin- mama. Los resultados son prometedores pero aúngida pues solo penetra unos cuantos milímetros. hay un largo camino por recorrer. Panel 2. Tejido de cérvix marcado con NPs de oro. En (a) se ob- serva el espacio intracelular y núcleo marcado con NPs de oro. En (b) las manchas en rojo corresponde al núcleo de las células marcadas con un cúmulo de NPs. En este caso, el tejido es ilumi- nado con luz láser a 900 nm y produce una señal luminosa roja centrada en 620 nm. 28
ARTÍCULOcámara defondo de ojopara el diagnóstico deRetinopatía DiabéticaCYNTHIA VILLALOBOSEn el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) en la ciudad deLeón Guanajuato, se está trabajando en un proyecto impulsado porel CONACYT, que consiste en la fabricación de una cámara de fondode ojo; la cual es un apoyo diagnóstico para el oftalmólogo ya quenos permite visualizar la parte interna del ojo conocida como Retina.Este proyecto surgió dirigido a una enfermedad en especial: Diabe-tes; como bien sabemos la Diabetes se encuentra entre una de lasprimeras causas de muerte en México y además una de las primerascausas de discapacidad visual, encontrando disminución de la agu-deza visual hasta en un 48% de los pacientes que padecen Diabetes. 30
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La discapacidad visual en las personas con Diabe- Por todo esto surgió la iniciativa de realizar un pro-tes es ocasionada por una alteración en los vasos grama de detección temprana de Retinopatía Diabé-sanguíneos, debido a los altos niveles de glucosa tica, el cual consiste en varias fases; la primera siendoen sangre, que ocasiona hemorragia dentro de la la creación de un método óptico diagnóstico para po-cavidad vítrea y desprendimiento de retina, con- der tomar una fotografía del interior del ojo; la cualdicionando así una pérdida de visión de manera podría ser tomada por alguien que incluso no fuerairreversible; es importante mencionar que en eta- personal de salud; estas cámaras de fondo de ojo yapas tempranas de la enfermedad podemos obser- existen de manera comercial, pero son muy costosas,var cambios que todavía no ocasionan repercusión por lo que se intenta realizar una cámara creada enen la visión pero ya pueden recibir un tratamiento el CIO de menor costo y con tecnología totalmentepreventivo, además de insistir en un cambio en el mexicana; la segunda fase de este proyecto, la cual seestilo de vida; para poder notar estos cambios es encuentra también en proceso, es la creación de unnecesaria la revisión del paciente de manera anual software que pueda analizar las imágenes para hacercon un oftalmólogo, lamentablemente los servi- un tamizaje entre el paciente sano y el enfermo; concios de salud pública generalmente se encuentran todo esto apoyando a la carga de trabajo que tienensaturados por el alto porcentaje de pacientes ya los sistemas de salud y además hacer medicina pre-con daño en su visión, no pudiendo revisar a todos ventiva, lo que disminuirá los gastos que ocasiona ellos pacientes diabéticos de manera preventiva. tratamiento de complicaciones visuales. 32
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ARTÍCULO Estudio de propiedadesbiomecánicas de piel para la detección temprana de tumores FERNANDO MENDOZALa piel es el órgano más grande y extenso de de protección contra la radiación de rayos ultra-todo el cuerpo humano. Supone hasta 1/6 del peso violeta (UV) provenientes del sol, además de ser elcorporal total, y una de sus funciones principales regulador natural de la temperatura corporal. Hoyes la de proteger al organismo de infecciones oca- día México experimenta un rápido incremento ensionadas por las condiciones del medio ambien- cáncer de piel de acuerdo a datos de la Fundaciónte debido a la presencia de bacterias, sustancias Mexicana para la Dermatología, A.C., y la Organiza-químicas, cambios de temperatura y exposición ción Mundial de la Salud. Este tipo de cáncer ocupaa radiación electromagnética. La piel secreta sus- actualmente el primer lugar en hombres y el terce-tancias químicas para destruir bacterias. Contiene ro en mujeres, algo similar a lo que sucede en losun pigmento químico llamado melanina que sirve Estados Unidos de América de acuerdo a la Skin 36
Cancer Foundation. México cuenta con una tasa más frecuentes de cáncer de piel. Es por este mo-alta de radiación solar y por ende un alto factor tivo, que es deseable que se desarrollen nuevasde UV, prácticamente a lo largo de todo el año, por técnicas que ayuden a cuantificar con precisión ello que se estima contar con un rápido crecimiento valor de la elasticidad en este tejido. Actualmen-en la tasa de incidencia de este tipo de cáncer. Es te las enfermedades en piel son diagnosticadasimportante señalar que éste padecimiento depen- cualitativamente por los dermatólogos en base ade también del grupo étnico al que pertenece una una inspección visual y palpando el área afecta-persona, por lo que hay regiones en el país en don- da, lo que conlleva a un entrenamiento basado ende ésta problemática se está acentuando de forma la experiencia clínica del médico tratante, que sealarmante. Existen principalmente tres tipos de apoya con la información que proporciona el pa-cáncer de piel: carcinoma basocelular, carcinoma ciente. Las técnicas modernas de diagnóstico in-epidermoide y el melanoma, siendo el primero el cluyen la dermatoscopia y la microscopia confocalmás común y factible de ser curado. El segundo es de reflectancia (MCR), esta última conocida comomenos frecuente pero más agresivo, pudiendo dar una prueba óptica no-invasiva avanzada. Adicio-origen a metástasis ganglionares. El tercero es el nalmente, se conocen en el área otras técnicas node mayor agresividad y por ende el que mayor nú- invasivas como OCT (Optical Coherence Tomogra-mero de decesos provoca. phy), Ecografía de Alta Frecuencia, Resonancia México no cuenta con suficientes centros Magnética y la Espectrofotometría. Si bien estasespecializados para atender en etapas tempranas técnicas permiten obtener imágenes con una reso-de gestión y en forma efectiva los casos cada vez lución aceptable además de dar seguimiento a un 37 NC
ARTÍCULOposible padecimiento, éstas siguen siendo pruebas El estudio por medios ópticos de las propiedadescualitativas que dependen de la interpretación del visco-elásticas de la piel proporciona importantesespecialista. Por tanto, es de sumo interés contar parámetros físicos de este órgano que ayudan acon nuevos métodos de detección temprana cuan- comprender diversas patologías que se presentantificables que permitan llevar a cabo un tratamien- debidas principalmente a factores externos. Estoto adecuado del paciente. Estos nuevos métodos puede ayudar al diagnóstico temprano y trata-deben ser de bajo costo para impactar a la mayor miento de enfermedades relacionadas con la apa-parte de la población nacional. La previsión y diag- rición de cáncer, ya que es sabido que la mayoríanóstico temprano impactarán en la calidad de vida de las patologías en la piel alteran diversas propie-de los pacientes al evitar la progresión de cáncer dades como su elasticidad, grosor, etc. El diagnós-en la piel. tico de cáncer de piel es comúnmente detectado 38
por cambios en la rigidez de un tumor con respec- lografía digital interferométrica (OCT y DHI porto al tejido que lo rodea y que puede ser identifica- sus siglas en inglés respectivamente) que han sidodo en una exploración cualitativa. Este cambio en empleadas por más de dos décadas para propor-la rigidez se expresa como un cambio en el módulo cionar información cualitativa y cuantitativa acer-de Young (relacionado con la elasticidad del teji- ca de diversas propiedades mecánicas en tejidodo) del área afectada en su conjunto. suave y complejo como es el caso de la piel. Esta En particular, en nuestro caso se persigue respuesta macro (~10-3m) puede ser sustentadaque las técnicas ópticas a desarrollarse sean re- por medio de técnicas de microscopía que permi-motas y no invasivas al realizar un estudio de un ten observar el estado que guarda el tejido en esca-tejido en vivo. Un ejemplo de lo anterior son las la micro (microscopía óptica ~10-6m) y nano (mi-técnicas de tomografía de coherencia óptica y ho- croscopía electrónica ~10-9m). A estas técnicas ópticas se suman también otras pruebas como son las térmicas en infrarrojo (TIR), y correlación digi- tal de imágenes (DIC) con estudios en ultra violeta (TUV), como pruebas particulares en las partes del cuerpo humano más expuestas a la radiación solar. El CIO cuenta con un microscopio de escaneo con- focal multifotónico que coadyuvará a complemen- tar los estudios cuantitativos mencionados. Este novedoso microscopio es una herramienta que se ha comenzado a utilizar para el estudio y la detec- ción temprana de cáncer en piel. Los resultados a la fecha son prometedo- res, algunos de ellos ya han sido presentados en una plática invitada en el Congreso Optical Me- thods for Inspection, Characterization, and ima- ging of Biomaterials III, en Múnich Alemania. En particular las figuras muestran estudios prelimi- nares en muestras de piel y del estudio de la for- ma de células usando holografía con electrones (imágenes capturadas con un TEM, Transmission Electron Microscope). El proyecto financiado por CONACYT comenzó en Febrero del 2017 y es producto del trabajo grupal de mis colegas y colaboradores Manuel De la Torre Ibarra, Jorge Mauricio Flores, María del Socorro Hernández Montes y Carlos Pérez López. 39 NC
ARTÍCULOGráficos 3D de la reconstrucción de la fase óptica de una célula, obtenidos usando Holografía con electrones: vista (a) frontal, (b)vertical y (c) horizontal.Imágenes de una muestra de piel tomadas con Holografía digital interferométrica, en donde se puede apreciar la diferencia entrela piel sana y aquella con células cancerosas. 40
caracterización demuestras biológicasJORGE MAURICIO FLORES 42
Las técnicas basadas en pruebas no destructivas esfuerzos, es debido a las propiedades mecánicaspara conocer algunas propiedades físicas de mate- intrínsecas que este presenta y no a que la técnicariales naturales y sintéticos, han sido ampliamen- utilizada para estudiarlo la modifique o destruya. Esto es de particular relevancia, por ejemplo, cuan-te útiles para medir sus capacidades mecánicas y do se desean medir características de objetos con cierto valor histórico o por ser especímenes únicosde esta forma caracterizar su comportamiento en en su tipo (obras de arte, muestras biológicas vivas, objetos que por su costo de producción resulta in-aplicaciones de la vida cotidiana. El hecho de que viable destruirlos, etc). Puesto que el campo de estudio de la ópticacumplan con la premisa de ser “no destructivas”, es la interacción de la luz con la materia, desde haceprincipalmente se refiere al hecho de que el ma- muchos años se han utilizado técnicas ópticas comoterial que se estudia no sufre daño estructural o una opción preponderante en la miríada de las prue-cambio físico de importancia. Por tanto el objeto bas no destructivas existentes. Así técnicas ópticasbajo análisis se mantiene integro o prácticamentesin sufrir daño durante la prueba debido a la apli-cación de la técnica. Si la muestra estudiada sufredaños estructurales, por ejemplo en el análisis de 43 NC
ARTÍCULObasadas en interferometría, holografía, termografía, cuantificar ciertas propiedades físicas en materia-espectroscopía más un largo etcétera, han sido ya, les. Estas pueden incluir: medición de forma, de- formación, módulo de Young, índice de refracción,desde mediados del siglo pasado, pruebas bien esta- esfuerzos entre otras. Puesto que en áreas biológi- cas el estudio de los procesos físico-químicos (queblecidas y complementarias para la caracterización suceden en: células, tejidos, cultivos, plantas, órga- nos complejos, entre muchos otros) propios de lade materiales incluyendo especímenes biológicos. actividad biológica han ido adquiriendo mayor re- levancia, esto ha representado un área de oportu-En particular el área de interferometría ha sido am- nidad en donde las técnicas ópticas no destructivaspliamente utilizada desde finales del siglo pasado, (como la holografía) se han venido estableciendoteniendo un auge específico en caracterización de como alternativas que proporcionan informaciónmuestras biológicas a partir del cambio de milenio. novedosa y complementaria a estudios realizados utilizando técnicas tradicionales en biología (elec-La información que se puede obtener al utilizar ho- troforesis, reología, centrifugación, cristalografía,lografía digital (una técnica basada en principios de rayos-X, entre muchas otras), donde la muestrainterferometría) para medir propiedades físicas en bajo estudio termina siendo dañada en su estruc-muestras y materiales encontrados en la naturaleza tura o totalmente destruida.o creados por el hombre, ha sido de un valor rele-vante para estudiar fenomenologías de interés eninvestigación básica y aplicada. La holografía ha llegado a convertirse enuna herramienta suficientemente madura para 44
Un ejemplo particular donde se emplea la hologra- plo). En este caso, al hacer incidir la señal acústicafía digital es precisamente en la caracterización de de 90 a 110 dB (decibeles, medida de intensidadespecímenes conocidos como de fase (que pueden acústica. Por ejemplo, para que el humano escu- che una frecuencia de 500 Hz que es el inicio de unincluir desde células hasta algunos tejidos), donde tono medio, se requiere una intensidad de 15 dB), corresponde a 1.06 micrómetros de desplazamien-es posible medir desde el índice de refracción de to (1 micra = 1 millonésima parte de un metro, por ejemplo, el grosor de un cabello humano adulto deuna muestra hasta propiedades mecánicas, lo que la cabeza es del orden de 100 micras).coadyuva a tener una cuantificación de las carac- En el CIO, dentro del Grupo de Metrología Óp-terísticas bio-mecánicas de un tejido o membrana tica, estamos utilizando la técnica de holografía digitalcelular en particular. En la figura anexa se presenta adaptada microscópicamente para estudiar deforma-como ejemplo, los modos de vibración complejos ciones en membranas biológicas. Esto es importante(así definidos por especialistas médicos otorrinola- ya que al cuantificar las fuerzas que actúan sobre unaringólogos) de una membrana timpánica ex – vivo, membrana (por ejemplo, el endometrio) los biólogos y expertos en el tema contarían con información relevan-correspondiente a una Chinchilla (un roedor típico te que les ayude a comprender los procesos de trans-de América del sur). En la holografía digital se regis- misión de proteínas que conllevan a la adecuada absor-tran hologramas, similar a las calcomanías que se ción de fármacos por parte de una célula o a la posible comprensión de uno de los mecanismos involucradosencuentran en las tarjetas de crédito como medida en la propagación de células malignas o tumorales.de seguridad. Utilizando esta información y excitan-do el tejido con una señal acústica centrada en los1085 kHz (la frecuencia audible en el humano seconsidera desde los 20 a los 20 kHz, rango que al-canzan los instrumentos de una orquesta por ejem-Figura. En la imagen de la izquierda, se presentan los mapas de fase óptica de una membrana timpánica ex – vivo de una Chinchilla.Cada clúster mostrado en escala de grises corresponde a modos de vibración presentes en la membrana al estar recibiendo unaonda acústica de 1085kHz con una intensidad de 90-110 dB. En la imagen de la derecha se muestra el resultado de procesar lafase óptica de la misma membrana, codificada en escala de grises. La deformación calculada corresponde a 1.06 micrómetros picoa pico (escala de la barra en metros). 45 NC
ARTÍCULOnanocienciaen el cioJUAN LUIS PICHARDOLa nanofotónica es una de las áreas de investiga- oro (Au) y plata (Ag) fueron usadas por los mesopo-ción más jóvenes en el CIO, aquí se producen y ca- támicos, romanos y egipcios para la fabricación deracterizan nanomateriales (NM) orgánicos e inorgá- utensilios ornamentales; por ejemplo, la copa Lycur-nicos que exhiben propiedades ópticas útiles para el gus exhibe un efecto dicroico (siglo IV, Roma), véasediseño de sensores ópticos, celdas solares, dispositi- figura 1A: la luz reflejada por la superficie de la copavos nanofotónicos y biomedicina, entre otras aplica- muestra un tono verdoso, mientras que cuando la luzciones. Históricamente las nanopartículas (NPs) de pasa a través de la copa se percibe un tono rojo-rubí.Fig1. A) Copa de Lycurgus y B) soluciones coloidales de Au y Ag. 46
En la década de 1980, al analizar la copa mediante cia de plasmón de superficie localizada y tiene comomicroscopia electrónica de transmisión, se encontró resultado una fuerte extinción de la luz (absorción yque la matriz de vidrio contenía NPs de oro (5-20nm) esparcimiento); es por esto que el color observadoy plata (5-10nm), las cuales son responsables de este en los coloides de NPs cambia dependiendo del ma-fenómeno óptico. Las propiedades ópticas de las NPs terial, tamaño, forma de las NPs y del medio ambien-son conferidas, debido al movimiento colectivo de te en que se encuentren, tal como se muestra en lalos electrones libres presentes en la superficie del figura 1B. En la figura 2 se puede observar una seriemetal, al ser estos estimulados por luz de un color de imágenes de microscopia electrónica de NPs deespecífico. Esta oscilación se conoce como resonan- Au y Ag fabricadas en nuestra institución.Fig 2. Micrografías de barrido electrónico de NPs de Au (A, B, C y D) y Ag (E y F) NC 47
ARTÍCULOLa biomedicina es uno de los campos en donde estos Investigadores del CIO, en conjunto con investiga-NM tienen un gran impactó; las NPs son utilizadas en dores de la Universidad de Guanajuato y del The Ad-pruebas de diagnóstico, en imagenologia, en la admi- vanced Centre for Treatment, Research and Educationnistración de fármacos, así como en nuevas terapias. in Cancer (ACTREC, India), trabajan en la evaluaciónSin embargo, hasta este momento, nadie sabe con de los efectos toxicológicos y/o las condiciones bajocerteza cuál es su impacto en la salud y la seguridad las cuales estas NPs pueden ser inocuas. Estos estu-de su uso en humanos. Algunos estudios realizados dios se llevan a cabo en cultivos celulares en dondein vitro e in vivo (modelos animales) han reportado se controla el tipo de NPs, su química de superficie,efectos tóxicos, mientras que otros reportes mues- concentración y morfología entre otros parámetros.tran que las NPs son completamente inocuas. Debido Así mismo se tiene contemplado realizar experimen-al gran potencial de aplicaciones y a los resultados tos del uso de NPs en modelos animales, con la fina-controversiales, es indispensable determinar con lidad de evaluar sus efectos tóxicologicos no solo acerteza los estrictos parámetros de uso, así como de nivel celular, sino también a nivel de un órgano o delsus posibles efectos toxicológicos. individuo completo. 48
ARTÍCULOdesarrollo denanomaterialesorgánicosteranósticosGABRIEL RAMOS Y MARIO RODRÍGUEZUna de las líneas de investigación que se desarrollan en el CIO es el di-seño y fabricación de nanopartículas orgánicas con propiedades ópticas ybioquímicas apropiadas para aplicaciones biomédicas. En particular, nuestrointerés se enfoca a la obtención de nanomateriales (fabricados con molécu-las orgánicas) que poseen propiedades teranósticas, esto es, nanomaterialesque poseen una doble funcionalidad: de diagnóstico y de terapia (propiedadterapéutica). Por tanto, estos nanomateriales tienen un gran futuro como tec-nologías para para el diagnóstico oportuno y terapia efectiva de padecimien-tos médicos como el cáncer. A través de una investigación multidisciplinariase diseñan nuevas moléculas orgánicas (basadas en la química del carbono)que combinan propiedades ópticas no lineales y fotoluminiscentes a partir delas cuales se fabrican nanopartículas usando procedimientos tipo de “abajohacia arriba” (nano-aglomeración de moléculas orgánicas, microemulsionesagua-aceite para el encapsulamiento de materiales orgánicos, y crecimiento 50
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