Imagen in vivo usando nanopartículas y radiación Cherenkov

Dibujo20170208 Nanoparticle combinations with CL allow improved in vivo imaging nnano 2016 301-f3

La combinación de la nanotecnología con la radiación de Cherenkov promete revolucionar la imagen óptica en biomedicina. La imagen óptica basada en luz Cherenkov ofrece múltiples ventajas respecto a la imagen por radiación nuclear. Más barata, más rápida, más cómoda para el sujeto, permite fotografiar a varios sujetos en paralelo, etc. Pero también tiene sus problemas, como que la detección de la radiación Cherenkov solo alcanza una profundidad de algunos centímetros, y que el flujo de fotones es muy bajo comparado con la luz del ambiente.

Para incrementar la intensidad de la luz y mejorar la calidad de las imágenes se usan nanopartículas que contienen sustancias fluorescentes, como puntos cuánticos. Estos emiten luz con una longitud de onda más larga (por ejemplo, en rojo) como respuesta a la luz Cherenkov (azul) emitida por otras nanopartículas. Estos puntos cuánticos pueden recubrir la nanopartícula por su parte exterior (centro, abajo, en la figura) o estar localizados en su núcleo (derecha, abajo, en la figura). Incluso se puede lograr una emisión observable mediante un equipo PET, con lo que se obtiene una imagen multimodo.

Limitada en la actualidad a estudios preclínicos, nos resume el estado actual de esta técnica de imagen el artículo de Travis M. Shaffer, Edwin C. Pratt, Jan Grimm, “Utilizing the power of Cerenkov light with nanotechnology,” Nature Nanotechnology 12: 106–117 (07 Feb 2017), doi: 10.1038/nnano.2016.301.

Dibujo20170208 Cerenkov mechanism for blue-weighted luminescence nnano 2016 301-f1

Una partícula cargada que viaja en un medio más rápido que la velocidad de la luz en ese mismo medio emite radiación de Cherenkov. El brillo azul característico fue observado en 1933 por Cherenkov, pero la teoría que lo explica fue publicada por Frank y Tamm en 1937. Esta figura ilustra como una partícula cargada (punto rojo) que viaja en un medio polariza sus moléculas. A baja velocidad las moléculas retornan a su estado fundamental sin más. Pero a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en dicho medio el retorno al estado fundamental viene acompañado de la emisión de luz desplazada al azul (flechas curvdas en azul). La emisión del medio (que no de la partícula) se concentra en un la dirección de propagación (hacia adelante) de la partícula con un ángulo θ respecto a ella determinado por el cono de luz, análogo al boom sónico cuando un avión a reacción supera la velocidad del sonido en el aire.

Dibujo20170220 common beta-emitters used in biomedical cerenkov applications nature NNANO 2016 301

La partícula cargada es un electrón (o positrón) emitido por un radionúcleo emisor β+); recuerda que en la radioactividad beta un neutrón se transforma en un protón emitiendo un electrón y un antineutrino, o un neutrón en un protón emitiendo un positrón y un neutrino. El leptón cargado debe superar una energía crítica para que su velocidad supere a la de la luz en el medio. Para electrones (positrones) en el agua es de 261 keV; según la ecuación de Frank–Tamm uno solo emitiría 320 fotones en el espectro visible por centímetro de agua. Para medios con un índice de refracción mayor que el agua, el flujo de fotones es mayor. Esta tabla muestra los radionúcleos más usados (primera columna), con la energía máxima en keV que alcanzan (cuarta columna), así como las nanopartículas más usadas para introducirlos en el tejido vivo (última columna).

Dibujo20170208 CL emitters can be incorporated into nanoparticles for high specific activity multimodal probes nnano 2016 301-f5

La luz Cherenkov no solo se puede usar para obtener imágenes in vivo, sino también para activar terapias. Los avances en la imagen Cherenkov en medicina llegarán en los próximos lustros a los sistemas de salud pública y privada. Combinada con el uso de nanopartículas promete múltiples aplicaciones biomédicas tales como la dosimetría, la imagen y la terapia médica, sobre todo en oncología. También se augura su aplicación futura en la optogenética. Sin lugar a dudas oiremos hablar mucho de esta nueva técnica de imagen en los próximos lustros.

17 Comentarios

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J.DiazJ.Diaz

Perdon pormi ignorancia de la fisica cuantica y de particulas, pero… «una velocidad mayor que la velocidad de la luz», ¿La particulas pueden violar la velociada de la luz?
Tenia la idea que es el limite en nuestro universo y nada podía superar esta velocidad.
Seria tan amable de explicarlo para ignorantes.
Gracias

JesusJesus

Como indica en el texto la velocidad es mayor que la de la luz en el medio, la velocidad de la luz en el agua es un 30% menor que en el vacio por lo que si se emite la particula con suficiente energia como indica el texto se sobrepasa esa velocidad y se produce la radiacion.

Francisco R. Villatoro

J.Diaz, como bien indica Jesús, en relatividad siempre se debería colocar el adjetivo “en el vacío” ya que c es la velocidad de la luz en el vacío. Hablar de velocidad de la luz, a secas, es incorrecto en relatividad y debería evitarse, en lo posible. La velocidad de la luz (así, a secas) depende del índice de refracción del medio (que describe el retraso de los fotones debido a su interacción con los átomos o moléculas que constituyen el medio).

EloyEloy

Francis siguiendo con tu respuesta me gustaría planearte una pregunta.
Como bien dices la velocidad de la luz en un medio depende de la interacción con átomos o moléculas de ese medio.
Entonces, si imaginamos la luz como fotones, en el intervalo desde que interaccionan con un átomo hasta que lo hacen con el siguiente, en ese espacio “vacío”, ¿viajan a c?

Un saludo y enhorabuena por tu artículo ,
Eloy

Francisco R. Villatoro

Eloy, en el espaciotiempo vacío se propagan fotones libres, pero en un medio con índice de refracción se propagan cuasipartículas de tipo fotón (o fotones revestidos); pasa lo mismo que con los electrones y huecos en un material conductor. En cierto sentido estos “fotones en el medio” al ser cuasipartículas son más parecidos a un “paquete de fotones” en el vacío que a un “fotón individual en el vacío” (como ocurre con los electrones y huecos).

Debes recordar además que los fotones que entran en el medio no son los “mismos” fotones que salen del medio, ya que han sufrido innumerables interacciones con los electrones de sus constituyentes; aunque puedes imaginar que cada fotón individual se propaga de forma libre entre interacciones, en realidad en el medio refractivo el espaciotiempo no está vacío y presenta un campo electromagnético promedio que afecta a cada excitación del propio campo de tipo partícula (luego los fotones en dicho medio no son fotones libres).

Quizás te conviene leer al genial Richard Feynman, “QED: The Strange theory of light and matter” (1985) https://en.wikipedia.org/wiki/QED:_T..._and_Matter; o quizás, como estamos en verano, te apetezca escucharlo y disfrutarlo en directo vía vídeo http://vega.org.uk/video/subseries/8 .

J.DiazJ.Diaz

Garcias, si.
No habia caido en el detalle de medio. Quizas fruto de una primera lectura rapida.
Efectivamente, la velocidad alcanzada por la luz varia segun el medio, en eso se basa toda la optica, claro, pero lo malentedi al leer velocidad de la luz a secas, que en mi mente equivale a la constante absoluta.

Gracias por aclararlo.

alfonsoaraujo

Muy interesante aplicación de la radiación de Cherenkov, me gustó mucho!

Respecto a los comentarios acerca de la velocidad de la luz, creo que sí tienen un punto, porque la primera redacción es un poco confusa, mientras que la segunda sí se entiende bien. Podría ser quizá: “Una partícula cargada que viaja en un medio más rápido que la velocidad de la luz en ese mismo medio…”

En un tema aparte, comparto una anécdota de Igor Tamm, quien ganó el Nóbel precisamente por su trabajo en este fenómeno. Quizá sea apócrifa, pero es muy interesante de todas formas:

http://lmndsxtrn.blogspot.com.es/201...var-tu.html

Pascual BuonoPascual Buono

Alfonso; los fotones en el denominado vacío, se trasladan siempre a una única e inviolable velocidad, c. si el mismo interacciona con un campo magnético del electrón en un átomo, el fotón siempre conserva su velocidad c, puesto que se acopla a la velocidad en c, del campo magnético. no de la onda electrón, que desarrolla su energía, como ejemplo en la orbita de Bohr, cuya velocidad de traslación es en v. = c x a , es decir 137,03599911 menor que c.

benjaminbenjamin

Hola Francis
Estoy muy confundido. Con los X-FEL se pueden hacer peliculas a nivel molecular y en 2020 a nivel atomico en tiempos muy cortos de macromoleculas, con las futuras computadoras cuanticas se prodan simular de forma realista lo mismo que vemos en X-Fel? son lo mismo.

Por ejemplo si queremos entender la interaccion de dos proteinas para descubrir un nuevo farmaco?

Francisco R. Villatoro

Benjamin, no entiendo tu duda. Todo aporta. X-FEL permitirá estudiar ciertas cosas y las simulaciones cuánticas permitirán estudiar otras cosas; ¿qué es lo que te confunde?

benjaminbenjamin

me confunde porque me parece que son lo mismo, los dos uno siendo una simulacion y otro la realidad permiten estudiar interacciones entre proteinas en tiempo real a escala atomica en temperatura ambiente,

La otra pregunta es cuando un X-FEL permitira estudiar no solo macromoleculas sino una bacteria entera con todas sus proteinas que se necesita para eso? mas intensidad de luz de laser de los rayos X o que?

benjaminbenjamin

que sera necesario para ver una bacteria o una celula entera a escala atomica o molecular al menos ?

Francisco R. Villatoro

Bejanamín, el volumen de una célula típica es un trillón (10^18) mayor que el de un átomo, luego no concibo ninguna técnica que permita verla in vivo a escala atómica (ni hoy ni nunca); “cristalizada” es más fácil, porque se puede ver trozo a trozo y se puede diseccionar (aunque hoy en día aún no sabemos cómo hacerlo).

Por otro lado, ¿para qué quieres ver una célula a escala atómica? Si entiendes cómo funcionan sus partes y cómo se interrelacionan, entenderás el funcionamiento del conjunto.

benjaminbenjamin

Gracias por la respuesta

Entonces cuando tendremos todas las partes de una celula humana? no solo su estructura a escala atomica sino entender que funcion cumple cada una de ellas? Algo asi como el genoma del funcionamiento de todos los componentes de una celula

danieldaniel

Benjamín, ya se sabe muy bien qué función cumplen las partes de la célula: el aparato de Golgi, el retículo endoplasmático, los lisosomas, el citoesqueleto, el núcleo, mitocondrias etc. Siempre se podrá saber cada vez más de la célula, claro, y a nivel atómico, por ejemplo cómo se poducen las reacciones en el sitio activo de las enzimas, creo que es algo que se está estudiando mucho. Se puede decir aquello de que cuanto más se sabe más se da uno cuenta de lo que queda por saber

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