Hacia la impresión del cerebro

La resonancia magnética (RM) se ha convertido en una herramienta indispensable para examinar el cerebro humano vivo tanto en la investigación como en la clínica. Sin embargo, una de sus limitaciones ha sido la dificultad para validar rigurosamente los resultados de la IRM con patrones de referencia conocidos. Ahora, un equipo de científicos europeos ha demostrado una solución innovadora: utilizar la impresión 3D de alta precisión para fabricar "fantomas cerebrales" biomiméticos que puedan servir como modelos de referencia para validar técnicas de RM como la RM de difusión (RMd). Su trabajo, publicado en Advanced Materials Technologies, muestra un importante potencial para el avance de la RM como sonda no invasiva de la estructura y la conectividad cerebrales.

La validación de los resultados de neuroimagen es crucial pero difícil, ya que existen problemas éticos obvios a la hora de realizar comparaciones verdaderamente "patrón oro" en la misma muestra de tejido cerebral utilizando múltiples métodos, algunos de los cuales son invasivos. Para resolver este problema, los investigadores diseñan objetos de prueba artificiales simplificados, conocidos como "fantomas", que imitan las propiedades del tejido. Sin embargo, los métodos convencionales de fabricación de maniquíes no permitían lograr la combinación de características de pequeño tamaño, control estricto de la microestructura y grandes dimensiones de la muestra necesaria para los experimentos con escáneres de IRM humanos.

Entre en la impresión 3D por polimerización de dos fotones (2PP). Considerada la tecnología más avanzada en fabricación aditiva a micro y nanoescala, la 2PP consigue una resolución extraordinariamente alta utilizando pulsos láser ultrarrápidos para esculpir objetos sólidos de unas pocas micras de diámetro, capa a capa, a partir de resina líquida. Sin embargo, las estructuras fabricadas con 2PP convencional se han limitado a unos pocos cientos de micrómetros de tamaño.

El equipo de investigación de la Universidad Médica de Viena y la Universidad Técnica de Viena superó esta limitación mediante varias estrategias. En primer lugar, montaron la fotorresina directamente en el objetivo de enfoque de la impresora 3D y lo bajaron gradualmente, lo que permitió construir estructuras más altas. En segundo lugar, imprimieron en "áreas de mosaico" sucesivas para unir bloques de construcción que abarcaban áreas xy mayores. Combinando estas técnicas, consiguieron fantomas de dimensiones milimétricas, lo bastante grandes para una resonancia magnética humana, pero con características a microescala de tan solo 12 μm de diámetro, comparables a los diámetros de los axones de la sustancia blanca.

Utilizando su proceso 2PP optimizado, el equipo fabricó dos fantomas de prueba de concepto. El fantasma "sándwich" contenía canales paralelos en tres capas de orientación alterna, mientras que el fantasma "oblea" tenía filas de canales que alternaban entre dos direcciones perpendiculares dentro de cada volumen de vóxel. Ambos fantomas incorporaban más de 14.000 canales individuales cada uno para imitar la densidad de la sustancia blanca humana y proporcionar una señal adecuada para la RM.

Las imágenes y los análisis mostraron que los maniquíes 2PP eran compatibles con la RM y proporcionaban firmas de difusión anisotrópicas adecuadas. Dentro de cada maniquí, el modelado de bolas y palos por vóxel identificó correctamente las orientaciones predeterminadas de los canales. Cuando se procesaron con algoritmos de seguimiento de fibras, los resultados concordaron con las disposiciones paralelas y cruzadas diseñadas. Las mediciones validaron que los materiales inducían distorsiones insignificantes del campo magnético.

Más allá de servir como demostración de las capacidades de impresión de 2PP, estos fantomas iniciales abren puertas para mejorar la validación de dMRI. El trabajo futuro podría incorporar geometrías de fibras curvadas o besantes que se aproximen mejor a la complejidad de la sustancia blanca humana. Cada maniquí personalizado serviría entonces de base para comparar los resultados de la RM. Este nivel de control estricto de los parámetros microestructurales nunca había sido posible en los maniquíes de RMD.

Según los investigadores, sus resultados establecen nuevos estándares para la construcción de andamios biomiméticos tridimensionales. La versatilidad de la fabricación de 2PP permite reproducir prácticamente cualquier geometría arbitraria del tracto axónico con una precisión cercana a la de los tejidos neurales reales. Con una mayor optimización, podrían conseguirse fantomas cerebrales aún más grandes y anatómicamente más precisos.

Al permitir un modelado preciso de la verdad sobre el terreno de la dMRI, estos fantomas tienen implicaciones de gran alcance. Mejorarán los esfuerzos por determinar la sensibilidad y especificidad para detectar estados patológicos o diferencias basadas en la microestructura de la sustancia blanca. Y lo que es más importante, podrían validar técnicas de análisis especializadas como el mapeo tractográfico de la sustancia blanca, que hoy en día supone un reto sin casos de prueba controlados. Esto reforzaría los argumentos a favor de las aplicaciones clínicas e impulsaría una investigación neurocientífica más reproducible. En última instancia, los nuevos fantomas cerebrales anuncian mejoras tangibles en la exploración no invasiva de la conectividad del cerebro humano mediante resonancia magnética.

Mediante la aplicación creativa de sofisticadas técnicas de impresión 3D, esta investigación demuestra un importante logro técnico y proporciona un marco para abordar las necesidades clave de validación en el campo de la resonancia magnética de difusión. Al fabricar modelos de tejido biomiméticos precisos con un control sin precedentes sobre las propiedades microestructurales, se establece una base fundamental que debería impulsar el progreso tanto en el desarrollo como en la aplicación de este potente método de neuroimagen. Ahora que han demostrado la viabilidad y utilidad de los maniquíes cerebrales de alta resolución producidos mediante impresión 3D por polimerización de dos fotones, los investigadores planean perfeccionar el método para poder aprovechar todo su potencial. Su trabajo ejemplifica cómo tecnologías que antes se consideraban demasiado limitadas pueden adaptarse ingeniosamente para abrir nuevas posibilidades científicas.

Referencia(s)

1. Michael Woletz, Franziska Chalupa-Gantner, Benedikt Hager, Alexander Ricke, Siawoosh Mohammadi, Stefan Binder, Stefan Baudis, Aleksandr Ovsianikov, Christian Windischberger, Zoltan Nagy. Hacia la impresión del cerebro: A Microstructural Ground Truth Phantom for MRI. Advanced Materials Technologies, 2024; 9 (3) DOI: 10.1002/admt.202300176

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