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Usan microscopía no lineal en investigaciones biológicas y médicas | Imprimir |
Escrito por Diana Venegas on Jueves, 06 de Diciembre de 2012 20:01   

irocha3Tras realizar varias investigaciones enfocadas a la implementación de técnicas de microespectroscopía óptica no lineal para aplicaciones en biología y medicina, investigadores que conforman el grupo de Procesamiento de Materiales y Pulsos Láser Ultracortos, del Departamento de Óptica del CICESE, construyeron un microscopio casero de segundo armónico con el cual han estudiado la no linealidad de segundo orden en fibras de colágeno crecidas in vitro.

El grupo conformado por los doctores Israel Rocha, Santiago Camacho (actual jefe del Departamento de Óptica) y Raúl Rangel (actual director de la División de Física Aplicada y líder del grupo), investigadores de la División de Física Aplicada del CICESE se dedican a desarrollar investigación en el área de la óptica no lineal. Entre otros temas, recientemente trabajan con microscopía no lineal y consideran que esta técnica tiene gran potencial en México ya que mucha gente se dedica a la microbiología, quienes ven en un microscopio una herramienta de trabajo.

El uso de técnicas de microscopía no lineal en el CICESE comenzó con un proyecto que sometió el Dr. Raúl Rangel, el cual permitió conseguir gran parte del equipo necesario para su implementación y desarrollar una fuente sintonizable de pulsos ultracortos. Actualmente el Dr. Israel Rocha utiliza gran parte de este equipo y, con su ingreso al CICESE en 2009, se refuerza la implementación de estas técnicas mediante la obtención de proyectos en el área de biofotónica, la construcción "casera" de un microscopio no lineal de segundo armónico y la implementación de microespectroscopía no lineal CARS.

irocha8Israel Rocha, quien estudió el doctorado directo en Óptica Física, en el CICESE, apuntó que una de las ventajas de la microespectroscopía óptica no lineal es que brinda la posibilidad de obtener información molecular in situ e in vivo sin invadir ni destruir la muestra. Esta técnica se usa en varias aplicaciones y actualmente varias compañías a nivel mundial la ofrecen como una opción acoplándola a un microscopio comercial.

El objetivo del grupo de Procesamiento de Materiales y Pulsos Láser Ultracortos, dijo, es consolidar el uso de la microscopía no lineal en investigaciones biológicas y médicas, e integrar el modelo de microscopía no lineal en un microscopio comercial. De hecho, esperan a principios de siguiente año tener el sistema instalado.

Básicamente están haciendo ciencia básica aplicada a la microbiología. Aprovechan las propiedades físicas de la óptica no lineal y la aplican en microbiología, en particular para obtener imágenes de muestras biológicas, pero esto también tiene aplicaciones en materiales inorgánicos, es decir, pueden estudiar y caracterizar la señal no lineal de nuevos materiales que presenten este tipo de no linealidades.

Apuntó que una vez que esté lista la implementación de estas técnicas en un microscopio comercial, el grupo estará abierto a que tanto grupos de microbiología del CICESE, como externos, realicen sus experimentos con ellos: "Es lo que han hecho en otros países, una vez que tienen el microscopio instalado comienzan a realizar experimentos en biología. Ha sido una manera de hacer sinergia entre lo que es la biológica y la óptica; de hecho eso es en esencia la biofotónica, el uso y diseño de instrumentación óptica para realizar estudios en biología".

Fibras in vitro

irocha6Israel Rocha apuntó que la parte más novedosa de este proyecto es que actualmente están creciendo fibras de colágeno in vitro y la idea es usar microscopía no lineal para monitorear el crecimiento.

Desde hace décadas se han realizado estudios de segundo armónico en fibras de colágeno natural que pueden ser extraídas post mortem de tendones o córneas, los cuales están compuestos por fibras de colágeno. Por lo general los estudios de segundo armónico se han hecho en fibras de colágeno natural. Sin embargo, desde 2009, el grupo de Procesamiento de Materiales y Pulsos Láser Ultracortos del CICESE está realizando investigaciones enfocadas a inducir el autoensamble de colágeno a través de colágeno en solución. Mediante una preparación química buscan que las moléculas del colágeno líquido se autoensamblen in vitro hasta generar fibras, y a través de microscopía de segundo armónico se busca monitorear el proceso.

"Estamos estudiando su organización, queremos saber qué tan ordenadas están y esto lo podemos inferir mediante la señal de segundo armónico. Un aspecto más fundamental es conocer la no linealidad de segundo orden de estas fibras generadas in vitro", expuso el investigador.

Qué pasa con las fibras de colágeno

irocha4El Dr. Rocha trabaja con diferentes técnicas de microscopía y espectroscopia no lineal desde 2003, técnicas que recientemente se están implementando en el CICESE. Actualmente está desarrollando el proyecto de ciencia básica "Micro-espectroscopía óptica no lineal y su uso en investigaciones de microbiología y medicina" cuyo objetivo principal es utilizar tres diferentes procesos ópticos no lineales para generar una imagen: la fluorescencia inducida por absorción de dos fotones; la generación de segundo armónico y la excitación coherente de bandas Raman mediante el proceso CARS (Coherent Anti Stokes Raman Scattering). Este año, además, concluyó un proyecto con UC MEXUS que consistió en estudiar el auto-ensamble de colágeno utilizando microscopía CARS, en colaboración con el Dr. Eric Potma, investigador del Departamento de Química de la Universidad de Irvine, California.

Detalló que el colágeno es una proteína que se autoensambla para formar fibras, y está presente en prácticamente todos los diferentes órganos del cuerpo. Es el componente más abundante de la piel y de los huesos, cubriendo alrededor de 25 por ciento de la masa total de proteínas en los mamíferos. Entre las diferentes familias de colágeno, está el colágeno fibroso, que se caracteriza por tener una organización estructural jerárquica; esto es, las moléculas de colágeno se alinean para generar primero micro fibras, fibras, fascículos, tendones, etc., de tal manera que cuando existe un desorden del colágeno por lo general existe algún tipo de enfermedad en el órgano que la compone.

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Aun no se ha estudiado el segundo armónico en las fibras de colágeno generadas in vitro, pero ya se conoce cómo es el comportamiento de esta señal en las fibras de colágeno, y de cierta forma eso es una ventaja, consideró el Dr. Rocha, porque ya saben cómo medir la señal y saben qué características deben seguir las fibras. Una característica de una señal no lineal en la fibra de colágeno es que, al ser una señal de segundo orden, la intensidad de la señal crece de una forma cuadrática en función de la intensidad de entrada del laser.

"Básicamente tratamos de comparar la señal de una de las fibras generadas y una fibra natural. Para eso, estamos estudiando las características principales de esta señal armónica en las fibras de colágeno generadas in vitro. Las características que buscamos son el comportamiento cuadrático y el comportamiento anisotrópico, con respecto a la intensidad y polarización, respectivamente, de la luz del láser incidente. Con la primera característica, podemos monitorear in vivo la concentración de las moléculas de las fibras de colágeno.

irocha1"Si sabemos que las fibras de colágeno natural tienen una dependencia cuadrática con respecto a la intensidad, yo esperaría lo mismo en las fibras de colágeno ensambladas", señaló.

Las fibras de colágeno también tienen un carácter anisotrópico, eso significa que la señal generada depende de la polarización. Entonces si las fibras o las moléculas están alineadas a lo largo del campo eléctrico la molécula vibrará en esta dirección.

"A través de una señal de segundo armónico es posible deducir el ordenamiento de esta molécula. Es una técnica que permite ver la organización estructurada del colágeno; cuando las fibras están muy bien organizadas puedes tener una señal de segundo armónico intensa, pero cuando el ordenamiento es, en cierta forma, caótico, la señal disminuye", expuso el investigador Rocha.