La ciencia médica avanza intercambiando ideas y técnicas provenientes de las disciplinas básicas: física, química y biología. Esto es verdad ahora más que nunca en el caso de la Resonancia Magnética Nuclear (NMR, del inglés Nuclear Magnetic Resonance). Esta técnica, que incluye conceptos fundamentales de física y química, puede darnos un conocimiento detallado de los procesos biológicos. En la década pasada, los investigadores desarrollaron sofisticadas maneras de obtener imágenes a partir de espectros de NMR que compiten en nitidez y resolución con las obtenidas con Rayos X. Pero, sin duda, es como herramienta cuantitativa que NMR parece ser significativamente mejor.

La Resonancia Magnética Nuclear es una técnica que no requiere de elementos perturbadores que son necesarios en otras técnicas como elementos de contraste. Así, NMR ha permitido estudiar la estructura de moléculas, tanto en soluciones como en estado sólido y conocer incluso el microambiente que rodea a determinados núcleos atómicas de la molécula. En forma cuantitativa es posible determinar distancias entre los átomos que forman una molécula y por ende, conocer la conformación de macromoléculas biológicas (proteínas, polisacáridos, grasas y ácidos nucléicos) y las transiciones conformacionales que resultan de la unión de otras moléculas (por ejemplo, cuando el oxígeno se une a la hemoglobina). Es decir, utilizando esta técnica es posible conocer la dinámica de estas macromoléculas ya sea en solución, en la célula o en un organismo completo. El estudio de muestras biológicas de órganos aislados y de organismos vivos " in vivo" ha impulsado el desarrollo de nuevos espectómetros de NMR de muy alta resolución debido a que la cantidad absoluta de moléculas a observar en muestras biológicas, en la mayoría de los casos es baja, si se las compara con las soluciones concentradas usadas frecuentemente en química. La resolución de estos aparatos depende fundamentalmente de la intensidad del campo magnético y de la concentración de la muestra. En la actualidad se construyen imanes con materiales superconductores a la temperatura del helio liquido y se utilizan computadores de alta resolución implementados con "software" para almacenar en forma aditiva miles de espectros en tiempos cortos. Con esto se ha producido un avance vertiginoso en el diseño de nuevos instrumentos en la última década. Con estos instrumentos, la espectroscopia de NMR se ha introducido en medicina como una poderosa herramienta de diagnóstico.


Los fundamentos

Hace cuarenta años que fue demostrado el fenómeno de resonancia magnética nuclear en materiales de uso común. En experimentos separados y en diferentes laboratorios de los Estados Unidos, Félix Bloch y sus colegas de la Universidad de Standford. y el equipo de Edward Purcell en la Universidad de Harvard, diseñaron dos métodos diferentes para medir "momentos magnéticos" de núcleos atómicos. Trataremos de explicar en forma suscinta este fenómeno que dio origen a la resonancia magnética nuclear. En la mayoría de los átomos, sus núcleos poseen un momento angular intrínseco conocido como "Spin nuclear" que hace que estos núcleos se comporten como si rotaran en torno a sus ejes como trompos subatómicos. Debido a que el núcleo posee carga (los protones tienen carga positiva y los neutrones también poseen subpartículas cargadas) y debido a que las cargas que rotan, generan campos magnéticos, los núcleos actúan como pequeñas barritas magnéticas.

Cuando los núcleos atómicos son sometidos a un campo magnético éstos tienden a alinearse en la misma dirección del campo (paralelos) o en dirección opuesta (antiparalelos). Sin embargo, el alineamiento respecto a las líneas del campo no es total y se comportan como un trompo girando a baja velocidad con respecto al eje de atracción de la Tierra, es decir, se encuentran procesando en ambos sentidos con respecto al campo magnético aplicado a una determinada velocidad. Esta velocidad de precesión puede ser expresada en términos de frecuencia, es decir, cuantas veces gira en una unidad de tiempo. Los núcleos del hidrógeno, principal componente del agua y por ende de nuestro organismo, pueden adoptar estas dos posibles posiciones, habiendo sólo un pequeño exceso en la dirección paralela al campo, típicamente 1 en 100.000 núcleos. La diferencia de energía entre las dos orientaciones depende de la naturaleza del núcleo y de la fuerza del campo magnético. Mientras mayor sea la fuerza del campo, mayor será la diferencia de núcleos en un estado con respecto al otro. Los núcleos pueden pasar del estado de menor energía al de mayor energía si se les entrega energía por medio de una radiación electromagnética que tiene una frecuencia similar a la frecuencia de precesión del núcleo. Esta condición es lo que se conoce como "resonancia". Hagamos una analogía: cuando se desea medir las revoluciones de una polea, por ejemplo cuando se "afina" el automóvil, el mecánico utiliza una luz estroboscópica que alumbra una marca sobre su polea. Cuando la frecuencia de alumbramiento coincide con el paso de la marca ésta aparece como detenida, en ese momento se alcanzó la condición de resonancia. Así, cuando se aplican a núcleos que se encuentren en un campo magnético varias frecuencias diferentes y se observa qué frecuencia es absorbida (como lo hizo Purcell) o emitida después de aplicada la radiofrecuencia, se puede medir la diferencia energética entre las dos orientaciones.


La química, la biología, la medicina

Hemos explicado el fenómeno desde un punto de vista físico, pero ¿qué sucede con la química y la biología? Los núcleos en una molécula están rodeados por otros núcleos y por electrones, éstos generan otros campos magnéticos que alteran el campo neto a que están sometidos los núcleos, lo que hace que la velocidad de precesión de hidrógenos que están en diferentes regiones de una molécula absorban energía de frecuencias distintas. Cada frecuencia absorbida señala entonces el medio donde se encuentra el núcleo bajo estudio. Por ejemplo, si observamos los protones del agua que se encuentra en la substancia gris de la corteza cerebral, su señal será diferente de la señal del agua de la substancia blanca, pues se encuentran en diferentes medios. El fósforo que se encuentra unido a una molécula de azúcar absorberá energía a una frecuencia diferente de la absorción producida por el mismo átomo de fósforo en una molécula de ATP (adenosina trisfosfato).

Analizaremos cuáles son las restricciones e inconvenientes que se encuentran cuando esta metodología es aplicada a la medicina. Sólo hidrógeno, fósforo, sodio, potasio y flúor son magnéticos en la forma común en que se encuentran existente en el cuerpo humano. Carbono-13, un isótopo del carbono, también es magnético pero sólo se encuentra en una proporción de un 1,1% respecto al carbón total, que mayormente es carbono-12. Más aún, sólo hidrógeno y flúor son los de mayor sensibilidad y el flúor se encuentra en pequeña proporción en los dientes. Los otros candidatos para NMR en seres humanos son fósforo, sodio, potasio y carbono-13, pero tienen menores sensibilidades y se encuentran en bajas cantidades.

Hidrógeno - un constituyente del agua y muchas otras moléculas comunes en seres humanos- es abundante y posee gran sensibilidad, lo que lo hace útil para obtener imágenes por NMR (tomografía), comúnmente llamado "scanner". Sin embargo, su abundancia tiene como inconveniente que muchas veces es difícil resolver su ubicación. Con fósforo y carbono-13 es posible hacer estudios de NMR a pesar de las dificultades de sensibilidad. Estos núcleos son especialmente útiles para estudiar el metabolismo, es decir, los cambios químicos en la materia viviente. El carbono se encuentra en el azúcar y juega un importante rol como fuente energética del cuerpo. Lo mismo es verdad para el fósforo. el cual forma parte de moléculas requeridas, por ejemplo, en el ejercicio muscular y en otras funciones que requieren energía.

Durante los últimos años el grupo del Dr. Radda en Oxford ha hecho grandes avances midiendo los espectros de fósforo en diversos organismos, desde ratas a seres humanos. Este grupo ha trabajado en conjunto con un grupo de ingenieros en el desarrollo de nuevos aparatos con la sensibilidad necesaria para realizar estos estudios y actualmente son usados en forma rutinaria en los hospitales locales.

¿Qué ha sucedido en este campo en la última década?; en 1978 se obtenían espectros de fósforo-31 (constituyente principal de los ácidos nucleicos como también de proteínas, lípidos y otros metabolitos) en suspensiones celulares, corazones y músculos perfundidos, en los que se instala una circulación artificial, que simula la sanguínea. En la actualidad, muchos laboratorios obtienen en forma rutinaria no sólo espectros de fósforo-31 sino que también de carbono-13, protones, deuterio, sodio y potasio en muestras que van desde microorganismos hasta seres humanos, incluyendo células en cultivo; órganos perfundidos y animales enteros. Se han desarrollado imanes con fines de diagnóstico y en este momento se están instalando algunos con bobinas de un metro de diámetro, adecuados para estudios en seres humanos, que van desde 21 000 gauss hasta 40 000 gauss. Además se ha desarrollado la formación de imágenes a partir de espectros de resonancia magnética como una herramienta de diagnóstico, proveyendo imágenes de secciones del cuerpo humano (Ver figuras). El gradiente en el campo magnético que se usa en la proyección de imágenes ha sido aplicado en experimentos espectroscópicos para localizar el espectro de NMR en cualquier lugar del cuerpo humano. Espectros de NMR de fósforo del cerebro humano, del hígado, de los riñones y músculos han sido obtenidos por varios laboratorios y en el caso del hígado y del músculo han sido utilizados para diagnosticar enfermedades. Un espectro de alta resolución de protones, circunscrito a un centímetro cúbico, de cerebro humano de un paciente se obtiene en cuatro minutos. La alta sensibilidad de los protones es una gran promesa y la espectroscopia de NMR de protones ya ha sido usada para medir diferencias químicas entre la materia blanca y gris el cerebro humano. Dado que ésta es una técnica que no requiere de drogas de contraste, no presenta riesgos para el paciente si se la compara con técnicas usadas frecuentemente en medicina. Por esto se dice que en esta década ocurrirá una revolución en el conocimiento de la fisiología de organismos a nivel molecular "in situ", con el consiguiente mejoramiento de los diagnósticos.


Ventajas y proyecciones

Las ventajas del método de NMR son numerosas, pues sus determinaciones están basadas en mediciones de concentraciones de metabolitos in situ en un determinado tiempo. De este modo cada animal o muestra de tejido puede servir como su propio control. Las aplicaciones de NMR están en continuo crecimiento. Entre los avances podemos citar las mediciones de transporte celular basado en las mediciones de iones y pH, las mediciones de flujos de metabolitos, como glucosa, a través de las diferentes rutas metabólicas, determinación de velocidades enzimáticas unidireccionales in vivo, etc.

¿Cuáles son las futuras direcciones en que se desarrollará la espectroscopia de NMR en el campo de la medicina? Varias estrategias se están siguiendo. La primera aproximación es el estudio directo de pacientes con enfermedades musculares, del hígado, del cerebro y con tumores. Los datos recolectados desde estados normales y patológicos han servido no sólo para el diagnóstico sino para conocer la respuesta a tratamientos. NMR de fósforo ha sido usado principalmente para estos estudios (Tabla 1), determinando generalmente los niveles de compuestos como ATP y la fosfocreatina, de singular importancia en la energética celular. Con esta estrategia ha sido posible diagnosticar un síndrome de Mc Ardle en un paciente que se encontraba sin diagnóstico. Recientes experimentos con NMR de fósforo con pacientes intolerantes a la fructosa por el hígado han probado ser un muy buen diagnóstico, al medir el metabolismo y su energética. Ahora es posible en seres humanos hacer mediciones de carbono y protones, lo que permitirá seguir explorando la fisiopatología y llegará a ser más útil en NMR en el campo de la medicina.

Una segunda dirección de potencial uso en medicina es estudiar la fenomenología de enfermedades simuladas en animales modelos, por ejemplo, isquemia (falta de irrigación sanguínea) inducida en cerebro, riñones, corazón y músculos con la esperanza de encontrar una pauta para entender y tratar situaciones similares en humanos. Esta es una metodología establecida en investigación médica y, por cierto, los estudios de NMR contribuirán de manera directa en la evaluación de los resultados.

La tercera dirección hacia a donde apuntan los estudios de NMR a menudo olvidada en la carrera de la aplicabilidad, estimulada por la utilidad inmediata de la tomografía de NMR en el que hacer de la medicina, es la corroboración in vivo de los esquemas que se han diseñado desde los estudios in vitro con radioisótopos. En esta área se ha encontrado una serie de sorpresas, por citar un ejemplo: el efecfo Pasteur, descrito en el siglo pasado, como el control del consumo de glucosa por la disponibilidad de oxígeno, se ha explicado en términos de que la utilización de energía por la célula está regulada por la enzima fosfofructoquinasa y por los niveles de ATP en la vía glicolítica. Sin embargo, la determinación de las concentraciones de metabolitos en la célula in vivo por NMR ha revelado que esa enzima no estaría regulando la vía y tampoco seria regulada por ATP a las concentraciones de todos los metabolitos in vitro. Cuando se simuló el experimento in vitro, utilizando las concentraciones celulares de todos los metabolismos que participan en la acción de la enzima, se corroboró lo encontrado in vivo.

La resonancia magnética nuclear no sólo ha invadido el campo de las ciencias biológicas y de la medicina, sino que también el de la física, donde se presenta como una metodología de alta potencialidad para el estudio de la física de sólidos, con la consiguiente proyección en la ingeniería de semiconductores y otros materiales. Esta metodología ha sido una herramienta indispensable en química para resolver la estructura de moléculas de bajo peso molecular; sin embargo, la necesidad de conocer la estructura de moléculas de más alto peso molecular, de uso frecuente en farmacología, ha requerido de instrumentos de mayor resolución. La carencia de instrumentos de alta resolución en nuestro país obliga a investigadores que trabajan en el área de productos naturales, por ejemplo, a enviar sus muestras al extranjero. Nuestro país cuenta actualmente con alrededor de cuatro aparatos de baja resolución y sin transformación de Fourier, lo que los hace obsoletos para el estudio de macromoléculas y muy limitados en el estudio de moléculas pequeñas.


Apoyo importante

Recientemente la firma IBM ha donado a la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile un espectrómetro de NMR de resolución intermedia y un computador IBM-AT dentro de su programa de apoyo al desarrollo de nuevas tecnologías. Dadas las proyecciones que está adquiriendo este nuevo campo de la resonancia magnética nuclear - lo cual es fácil de comprobar si se revisan los artículos publicados en cualquiera revista de divulgación científica- se observa que los trabajos relacionados con esta técnica han aumentado en forma exponencial, llegando a convertirse en uno de los métodos más promisorios de investigación bioquímica. Es fácil comprender entonces que la implementación de este aparato permitirá acelerar la investigación científica que se efectúa con apoyo de la resonancia magnética nuclear, y por otro lado, formar científicos especializados en el área, capaz de apoyar los proyectos de desarrollo relacionados con esta área en el campo de la salud.