Los rayos X más brillantes del mundo revelan los daños de la COVID-19 en el cuerpo humano

Una nueva técnica de escaneo que obtiene imágenes con detalles muy precisos podría revolucionar el estudio de la anatomía humana.
Publicado 11 de feb. de 2022 16:21 GMT-3

Cuando Paul Tafforeau realizó sus primeras exploraciones radiográficas del pulmón de una víctima de COVID-19, pensó que había fallado. Tafforeau es un paleontólogo que llevaba meses trabajando junto a otros investigadores de varias partes de Europa, con el objetivo de convertir un acelerador de partículas de los Alpes franceses en una revolucionaria herramienta de exploración médica.

Hacia finales de mayo de 2020 los científicos estaban ansiosos por saber más acerca de las formas en que la COVID-19 estaba devastando los órganos humanos. A Tafforeau le habían encomendado que desarrollara una técnica que pudiera emplear los poderosos rayos X generados en el Laboratorio Europeo de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble, Francia. 

Como científico del ESRF, había logrado imágenes sin precedentes empleando rayos X de alta resolución para observar fósiles duros como rocas y momias disecadas. Ahora, un bulto de tejido blando captaba toda su atención.

Y, cuando sus colegas vieron por primera vez las imágenes del pulmón, tuvieron una reacción diferente: quedaron estupefactos.

El proyecto Human Organ Atlas, integrado por un equipo internacional que incluye al científico del ESRF Paul Tafforeau, ha utilizado HiP-CT para observar los órganos (incluidos los cerebros) de víctimas de COVID-19. Con las tomografías computarizadas HiP-CT, puede observarse un órgano completo con una vista celular de las regiones que se desean explorar.

Fotografía de Luca Locatelli

Esta imagen con tecnología HiP-CT revela los vasos sanguíneos del lóbulo pulmonar de un hombre de 54 años que murió por coronavirus. Las imágenes con HiP-CT muestran que en los casos graves de COVID-19, los vasos sanguíneos de los pulmones quedan muy dañados: en esta imagen, los espacios aéreos están en color cian, los vasos sanguíneos abiertos están en color rojo, y los vasos sanguíneos bloqueados y dañados, en color amarillo.

Fotografía de ESRF, Human Organ Atlas

Las imágenes revelaban detalles mucho más precisos que cualquier tomografía computarizada médica, lo que permitió armonizar la forma en que los científicos y los médicos pueden visualizar y entender los órganos humanos. “En los libros de texto de anatomía, vemos una escala grande y una más pequeña, y son todas imágenes bonitas dibujadas a mano; es decir, se recurre a interpretaciones artísticas simplemente porque no tenemos imágenes de eso”, dice Claire Walsh, becaria postdoctoral de University College de Londres (UCL), y agrega: "Por primera vez, podemos brindar algo real”.

Tafforeau y Walsh son parte de un equipo internacional de más de 30 investigadores que ha creado un nuevo y poderoso tipo de exploración radiográfica llamada “tomografía de contraste de fase jerárquica (HiP-CT, por sus siglas en inglés)”. Con esta técnica pueden, a partir de una imagen de un órgano humano completo, obtener una vista ampliada de los vasos sanguíneos más pequeños del cuerpo e incluso de células individuales.

La técnica ya está aportando información sobre cómo la COVID-19 daña y modifica los vasos sanguíneos de los pulmones. Y aunque no se sabe bien qué podrá revelar a largo plazo (porque no existe nada parecido a HiP-CT), los investigadores están ilusionados por su gran potencial, y están imaginando nuevas formas de comprender la enfermedad y explorar con mayor precisión las áreas de la anatomía humana.

“Lo que quizás sorprende, a la mayoría de las personas, es que llevamos cientos de años estudiando la anatomía del corazón y, aún, no hay consenso acerca de su estructura normal, sobre todo de las células musculares, y de cómo esta cambia a medida que late”, relata Andrew Cook, anatomista especializado en temas cardíacos de la UCL. Y enfatiza que una técnica que promete como la HiP-CT es algo que ha estado esperando durante toda su trayectoria profesional. 

Claire Walsh, becaria postdoctoral de la UCL, y una de las cocreadoras de HiP-CT, supervisa la cabina de control de BM05, la sala del ESRF donde se realizaron las primeras exploraciones del Human Organ Atlas.

Fotografía de Luca Locatelli

Esta imagen HiP-CT del corazón de una donante de 94 años se obtiene con "vóxeles" 3D de solo 25,08 micrómetros por lado.

Fotografía de ESRF, Human Organ Atlas

Cómo surgió la tomografía de contraste de fase jerárquica (HiP-CT)

La técnica HiP-CT surgió cuando dos patólogos alemanes decidieron rastrear los efectos catastróficos del virus SARS-CoV-2 en el cuerpo humano.

Danny Jonigk, patólogo de enfermedades torácicas en la Facultad de Medicina de Hannover, y Maximilian Ackermann, patólogo del Centro Médico Universitario de Mainz, comenzaron a trabajar apenas salieron a la luz varios casos extraños de neumonía en China. 

Ambos tenían experiencia en enfermedades pulmonares y, en seguida, supieron que la COVID-19 era una enfermedad particular. A los dos expertos les preocupaba sobre todo una “hipoxia silenciosa”, la cual provocaba un gran descenso de los niveles de oxígeno en sangre de los pacientes con COVID-19.

Ackermann y Jonigk sospechaban que el SARS-CoV-2 estaba atacando los vasos sanguíneos de los pulmones. A medida que la enfermedad iba avanzando por Alemania, en marzo de 2020, los dos médicos comenzaron a realizar autopsias de las víctimas de la COVID-19 y no tardaron en probar su hipótesis. Para ello, inyectaron muestras de tejido con resina y, luego, disolvieron los tejidos en ácido, para obtener así una muestra confiable de la configuración original de los vasos sanguíneos.

Con esta técnica, Ackermann y Jonigk compararon los tejidos de personas que no habían muerto por COVID-19 con quienes sí habían fallecido debido a esta enfermedad. Enseguida notaron que en las víctimas de COVID-19, los vasos sanguíneos más pequeños de los pulmones estaban distorsionados y alterados. 

Estos resultados trascendentales, publicados en línea en mayo de 2020, revelaron que la COVID-19 no era estrictamente una enfermedad respiratoria, sino vascular, y que podría afectar órganos de todo el cuerpo.

“Si piensas en todos los vasos sanguíneos del cuerpo humano como una línea continua, la longitud sería de entre 96.500 y 110.000 kilómetros, el doble de la distancia alrededor del ecuador”, dice Ackermann, quien también es patólogo en el hospital HELIOS, en Wuppertal (Alemania). 

El especialista agrega que, si un virus ataca sólo al uno por ciento de estos vasos sanguíneos, el flujo sanguíneo y la capacidad de absorber oxígeno, pueden verse afectados con consecuencias potencialmente devastadoras para los órganos.

Apenas notaron los efectos vasculares de la COVID-19, Jonigk y Ackermann se dieron cuenta de que necesitaban analizar el daño en profundidad.

Pruebas médicas, como las tomografías computarizadas, pueden mostrar el órgano completo, pero la resolución no es suficientemente alta. 

Con las biopsias, los científicos pueden estudiar muestras de tejido bajo un microscopio, pero las imágenes que se obtienen, son solo pequeños fragmentos de un órgano y no muestran cómo avanza la COVID-19 en la totalidad del pulmón. Por su parte, la técnica de resina implica la disolución del tejido, lo que destruye la muestra y limita las posibilidades de estudios posteriores.

“En definitiva, el pulmón recibe oxígeno y libera dióxido de carbono, pero para lograr eso, usa miles y miles de kilómetros de vasos sanguíneos y capilares que están dispuestos de forma muy sofisticada. Es casi un milagro”, dice Jonigk, el investigador principal fundador del German Center of Lung Research (Centro Alemán de Investigación Pulmonar). Entonces, ¿cómo podríamos realmente evaluar algo tan complejo como la COVID-19 sin destruir el órgano?”

Jonigk y Ackermann necesitaban algo fuera de lo común: una serie de radiografías del mismo órgano, que permitieran llegar a la escala celular de ciertas partes de este. 

En marzo de 2020, los investigadores alemanes contactaron a un excolaborador, Peter Lee, científico de materiales y presidente de tecnologías emergentes en la UCL. Lee es especialista en el estudio de materiales biológicos con poderosos rayos X, por lo que enseguida pensó en los Alpes franceses.

Un cerebro donado en el laboratorio de preparación de muestras biomédicas del ESRF. Aquí se conservan los órganos humanos donados al Human Organ Atlas con fines investigativos.

Fotografía de Luca Locatelli

Cómo funciona la técnica que potencia los rayos X

El European Synchrotron Radiation Facility (Laboratorio Europeo de Radiación Sincrotrón, ESRF por sus siglas en inglés) se encuentra en el extremo noroeste de Grenoble, en un área triangular donde confluyen dos ríos. El laboratorio es un acelerador de partículas que hace que los electrones viajen casi a la velocidad de la luz alrededor de una pista circular de 8 kilómetros de largo. A medida que estos electrones van girando, los potentes imanes a lo largo de la pista desvían la corriente de partículas, y esto provoca que los electrones emitan los rayos X más brillantes del mundo.

Gracias a esta poderosa radiación, el ESRF puede observar objetos a escala de micrómetros, incluso nanómetros. Suele utilizarse para estudiar materiales como aleaciones y compuestos, verificar las estructuras moleculares de las proteínas e incluso reconstruir fósiles antiguos sin tener que separar la roca del hueso. 

Ackermann, Jonigk y Lee pensaron en este enorme instrumento para obtener las imágenes de un órgano humano más detalladas del mundo.

Y aquí entra Tafforeau, cuyo trabajo en el ESRF ha ampliado los límites de lo que puede lograr el sincrotrón. Gracias a sus increíbles trucos, los científicos pudieron ver el interior de los huevos de dinosaurio y “desenvolver” momias digitalmente, y casi de inmediato, Tafforeau confirmó que el ESRF podría, en teoría, realizar una observación completa de un lóbulo pulmonar. Pero lo cierto es que escanear un órgano humano en su totalidad representaba un gran desafío.

Por un lado, está el asunto del contraste. Los rayos X estándar crean imágenes según la cantidad de radiación que absorben los diferentes materiales, y los elementos más pesados ​​absorben más que los más livianos. Los tejidos blandos se componen principalmente de elementos ligeros (carbono, hidrógeno, oxígeno, etc.), razón por la cual no se ven claramente en una radiografía estándar.

Uno de los grandes beneficios del ESRF es que sus haces de rayos X mantienen una gran congruencia: la luz se mueve en ondas y todos los rayos X del ESRF comienzan con la misma frecuencia y alineación, ondulando al unísono como las marcas que va dejando el rastrillo de un jardín zen. 

Pero a medida que estos rayos X recorren un objeto, las diferencias sutiles en la densidad pueden hacer que la trayectoria de cada rayo X se desvíe un poco, una diferencia que se vuelve más detectable cuanto más se propagan los rayos X al salir del objeto. Estas desviaciones pueden revelar sutiles diferencias de densidad dentro de un objeto, incluso si está hecho de elementos ligeros.

La estabilidad, sin embargo, representa otro desafío. Para obtener una ampliación de una serie de rayos X, el órgano en cuestión tendría que estar fijo en su forma natural sin flexionarse o desplazarse más de una milésima de milímetro. Con un movimiento mayor a eso, sumado a las sucesivas exploraciones con rayos X en el mismo órgano, no se obtendría una correcta alineación. Y sabemos que los órganos pueden resultar bastante flácidos.

Lee y su equipo de la UCL pronto se pusieron en marcha para diseñar contenedores que pudieran resistir los rayos X del sincrotrón pero que también dejaran pasar la mayor cantidad de ondas. 

Lee también hizo malabares a la hora de abordar la organización general del proyecto (como las cuestiones más complicadas acerca del envío de órganos humanos entre Alemania y Francia) y contrató a Walsh, que se especializa en grandes conjuntos de datos biomédicos, para que ayude a determinar cómo analizar las exploraciones. 

De regreso en Francia, Tafforeau se encargó, entre otras cosas, de refinar el procedimiento de escaneo y descubrir cómo mantener los órganos quietos dentro de los contenedores que el equipo de Lee estaba construyendo.

El sincrotrón, el corazón del ESRF, produce rayos X con electrones de alta energía que recorren el anillo de almacenamiento del ESRF (un túnel circular de 844 metros de largo). Estos rayos son 100 mil millones de veces más brillantes que los que se usan en los hospitales.

Fotografía de Luca Locatelli

Para evitar que los órganos se descompongan y procurar que los escaneos sean lo más nítidos posible, Tafforeau sabía que debería aplicar varias tandas de soluciones de agua y etanol. También sabía que era necesario estabilizar los órganos en algún componente que tuviera exactamente la misma densidad de los órganos. Su plan era insertar los órganos en un agar rico en etanol, una sustancia gelatinosa derivada de las algas marinas.

Al igual que gran parte de Europa, Tafforeau estaba encerrado por la pandemia. Así que trasladó su investigación al laboratorio de su casa: una antigua cocina secundaria que había decorado con impresoras 3D, equipos básicos de química y las herramientas utilizadas para preparar esqueletos de animales para estudios anatómicos.

Tafforeau se propuso hacer su propio agar con productos de una tienda de comestibles de su barrio. Incluso recolectó la escorrentía de agua de lluvia de su techo recién limpiado para obtener agua desmineralizada, un ingrediente básico en las recetas de agar de laboratorio. Y para practicar el envasado de órganos en agar, utilizó entrañas de cerdo que compró en un matadero del barrio.

A mediados de mayo, le permitieron regresar al ESRF para realizar las primeras radiografías preliminares del pulmón de un cerdo. En junio, ya había realizado la radiografía del lóbulo pulmonar izquierdo de un hombre de 54 años que había muerto por COVID-19. El órgano lo habían enviado Ackermann y Jonigk desde Alemania.

“Cuando vi la primera imagen, envié un correo electrónico a todas las personas del proyecto para decirles: Perdón, hemos fallado, no pude obtener imágenes de alta calidad", cuenta Tafforeau. "Les envié dos fotos que, para mí, eran un fracaso, y a ellos les resultaron excelentes”, agrega.

Según Lee (de la UCL) las imágenes eran impresionantes: se veía todo el órgano como en una tomografía computarizada estándar, pero “con un millón de veces más de información”. Era como si los investigadores se hubieran pasado la vida estudiando un bosque sobrevolando en un avión jumbo o caminando por un sendero. Ahora estaban volando por encima del dosel, como pájaros en pleno vuelo.

“La primera vez que vimos la resolución intermedia...nos invadió un enorme silencio”, dice Walsh.

El ESRF, donde nació la técnica HiP-CT y el Human Organ Atlas, es un círculo plateado en el extremo noroeste de Grenoble, Francia. Los sincrotrones como el ESRF brindan una visión única de la estructura y el comportamiento de la materia a nivel molecular y atómico.

Fotografía de Luca Locatelli

Los próximos desafíos de la tomografía de contraste de fase jerárquica

El equipo publicó su primera descripción completa del método HiP-CT en noviembre de 2021, y los investigadores también publicaron una descripción detallada de cómo la COVID-19 afecta ciertas formas de circulación sanguínea en los pulmones.

Los escaneos también aportaron un beneficio inesperado: sirvieron para que los investigadores pudieran convencer a amigos y familiares de que se vacunen. En los casos graves de COVID-19, muchos de los vasos sanguíneos de los pulmones se ven dilatados e hinchados y, en escalas más pequeñas, se forman haces anormales de diminutos vasos sanguíneos.

“Si observas la estructura de los pulmones de las personas que mueren por COVID, no parecen pulmones, solo ves un enorme desastre”, dice Tafforeau.

Y agrega que, incluso en órganos sanos, las imágenes revelaron características anatómicas sutiles que nunca se habían documentado porque nadie había visto antes un órgano humano con este nivel de detalle. 

Con más de un millón de dólares en fondos de la Iniciativa Chan Zuckerberg, una organización sin fines de lucro fundada por el CEO de Facebook, Mark Zuckerberg, y la médica Priscilla Chan (esposa de Zuckerberg), el equipo de HiP-CT ahora está desarrollando un proyecto que denominaron Human Organ Atlas (Atlas de órganos humanos).

Hasta ahora, el grupo ha publicado exploraciones de cinco tipos de órganos (corazón, cerebro, riñones, pulmones y bazo) que obtuvieron  a partir de los órganos utilizados en las autopsias COVID-19 que practicaron Ackermann y Jonigk en Alemania y órganos de “control” sanos del LADAF, un Laboratorio de anatomía con sede en Grenoble. El equipo ha publicado los datos en Internet y ofrece paneos virtuales basados en los datos, que pueden verse gratuitamente en línea.

El Human Organ Atlas está creciendo muy rápido: ya se han obtenido imágenes de otros 30 órganos y 80 más se encuentran en diversas etapas de preparación. Lee dice que unos 40 grupos de investigación ya se han puesto en contacto con el equipo para obtener más información sobre el método.

Esta imagen obtenida con el método HiP-CT muestra el riñón izquierdo de una mujer donante de 94 años, con una resolución de 25,08 micrómetros.

Fotografía de ESRF, Human Organ Atlas

Gracias a la técnica HiP-CT, los investigadores pueden examinar en alta resolución el complejo sistema vascular del riñón de este hombre de 94 años.

Fotografía de ESRF, Human Organ Atlas

Cook, el experto en corazón de la UCL, cree que el uso de la HiP-CT ofrece un enorme potencial para comprender la anatomía básica. Y Joe Jacob, radiólogo de la UCL que se especializa en enfermedades pulmonares, sostiene que la HiP-CT será “invaluable para comprender enfermedades”, especialmente cuando se trata de estructuras 3D como los vasos sanguíneos.

Incluso los artistas se están uniendo a esta gran iniciativa. Barney Steel, del colectivo de arte experiencial Marshmallow Laser Feast, con sede en Londres, asegura que está investigando cómo explorar los datos de la HiP-CT en la realidad virtual. “Básicamente estamos planeando viajes por el cuerpo humano”, enfatiza.

Pero a pesar de todo lo que promete la HiP-CT, la técnica también plantea grandes desafíos. Primero, dice Walsh, las exploraciones HiP-CT generan una “abrumadora cantidad de datos”, varios terabytes por órgano. Para que los médicos puedan valerse de estas imágenes, los investigadores piensan desarrollar una interfaz que funcione como una nube, y que los médicos puedan acceder fácilmente a esta como si fuera un Google Maps del cuerpo humano.

También deben convertir las exploraciones en modelos 3D viables. Como todas las técnicas de tomografía computarizada, la HiP-CT necesita realizar y apilar muchos cortes 2D de un objeto determinado. Incluso hoy en día, gran parte de este proceso es manual, especialmente si se trata de tejidos anormales o enfermos. Lee y Walsh dicen que una de las principales prioridades del equipo de la HiP-CT es desarrollar técnicas de aprendizaje automático que puedan aligerar los procesos.

Estos desafíos tomarán mayores dimensiones a medida que vaya creciendo el Atlas (y las ambiciones de los investigadores). 

El equipo de HiP-CT está utilizando el establecimiento de haces más nuevo del ESRF (el BM18) para continuar realizando exploraciones de los órganos.

El BM18 produce un haz de rayos X mucho más grande, lo que significa que las pruebas toman menos tiempo, y el detector de rayos X del BM18 se puede colocar a una distancia de hasta 38 metros del objeto en cuestión, lo que brinda imágenes mucho más nítidas. Según Tafforeau, los resultados del BM18 fueron tan efectivos que ha vuelto a tomar imágenes de algunas de las muestras originales del Human Organ Atlas con el nuevo sistema.

BM18 también puede registrar imágenes de objetos muy grandes. Con las ventajas del nuevo establecimiento, el equipo espera poder obtener una radiografía total de un torso humano completo para fines de 2023.

En cuanto al inmenso potencial de esta técnica, “realmente estamos en la primera etapa de exploración”, concluye Tafforeau.

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