Expedición virtual al interior de la naturaleza

Mónica Ramírez-Vázquez, Daniel F. García-Toscano & Eliel Ruíz-May

La percepción que hemos adquirido de la naturaleza a través de libros de texto y en general con otras tecnologías disponibles como los microscopios ópticos convencionales o electrónicos, nos han limitado a pensar en dos dimensiones (2D), cuando se pretende entender diversos procesos biológicos en la naturaleza (Fig.1 a-b).

Es claro que los seres vivos somos organismos tridimensionales (3D), tanto las células animales como las vegetales son estructuras con volumen, así mismo lo son los tejidos y órganos formados por ellas mismas y cuya función esta asociada con sus anatomías espaciales. Una herramienta que ha evolucionado en las últimas dos décadas es la microtomografía computarizada (MicroCT), una técnica no destructiva que nos permite estudiar el interior de la naturaleza sin alterarla e interpretar a través de imágenes desde distintos ángulos los eventos biológicos de cada ser vivo en tres dimensiones (3D) (Fig.2 a-b).

Origen de la microtomografía computarizada

La microtomografía computarizada (MicroCT) tiene su origen bajo el mismo principio que la tomografía computarizada (TC). La TC es una técnica que permite realizar imágenes por rayos X (RX) a un paciente, quien debe permanecer inmóvil sobre una mesa. Las imágenes obtenidas detallan el interior del cuerpo desde diferentes ángulos para crear vistas tridimensionales de órganos y/o tejidos. La TC arribó en los años 70’s y desde entonces ha sido muy usada por médicos y odontólogos para el diagnóstico por medio de imágenes (Boerckel et. al. 2014). La TC permite ver detalles de estructuras del paciente hasta de 1mm, suficiente para el área clínica; sin embargo, para las ciencias de materiales y/o biológicas 1mm es poco. Es en los años 80’s cuando revoluciona esta técnica llegando los MicroCT, sistemas que facilitan visualizar especímenes más pequeños y detalles de alrededor de 0.001 mm (1 mm).

Los primeros MicroCT fueron construidos en 1983 por Feldkamp y colaboradores para el análisis de la microestructura del hueso (Feldkamp et al, 1989; Boerckel et. al. 2014). Pero fue hasta 1994 que se tuvo disponible el primer sistema de MicroCT comercial, convirtiéndose en una herramienta indispensable para la proyección de imágenes en estudios del hueso (Schambach et. al., 2010) (Fig.3 a-c). Actualmente, los MicroCT que se ofertan en el mercado pueden alcanzar resoluciones diversas dependiendo de cada fabricante (Bruker, Zeiss, entre otros). En el 2015, Investigadores del Instituto de Física de la UNAM construyeron un Microtomografo pensado en primera instancia para estudios relacionados a la Peleontología, sin descartar la posibilidad de realizar estudios en otras disciplinas.

¿Cómo funciona un MicroCT?

Un MicroCT emplea una fuente de rayos X (RX), cuyo haz incide sobre una muestra en rotación continua que va capturando imágenes por medio de un detector (Bruker, 2013) (Fig. 4), así se obtienen cientos de imágenes desde distintos ángulos (Fig.5a); todas las imágenes capturadas por el detector se guardan en la computadora para su posterior análisis y reconstrucción de una única imagen tridimensional (3D) para observar los detalles internos del ejemplar (Fig.5b).

La microtomografía computarizada es una técnica no destructiva, es decir, que no altera la estructura original de la muestra. A través de esta herramienta podemos revelar características microestructurales de un tejido desde distintos ángulos logrando disecciones virtuales sin la necesidad de complejas preparaciones o cortes histológicos (Alba-Tercedor & Hunter, 2014) (Fig.5b). Estos sistemas ofrecen programas computacionales para generar modelos a partir de la serie de imágenes (proyecciones 2D). Los algoritmos usados para el tratamiento de la imagen y del análisis de datos están abriendo nuevos caminos por explorar en diversas áreas de las Ciencias Naturales (Li et. al., 2011; Alba-Tercedor & Hunter, 2014) (Fig.5c).

¿Qué es una técnica NO destructiva/invasiva?

Una técnica no destructiva o invasiva es aquella que evita alterar o cortar la muestra. Para muchas técnicas en microscopía se requiere de tinciones, marcadores específicos o bien de la inclusión en parafina o resinas, sin olvidar los cortes histológicos o el recubrimiento metálico; todos estos procesos pueden alterar la arquitectura de la muestra o su utilidad para realizar estudios posteriores (Simonsen & Kitching, 2014).

Dentro de las técnicas no destructivas que permiten obtener imágenes 3D de las muestras en su estado original es la microscopía de barrido láser confocal, su única limitante es el grosor del material o corte histológico a estudiar, el cual no debe superar los 0.5 milímetros.

¿Para que sirve un MicroCT?

El MicroCT es un equipo muy versátil y las aplicaciones que puede ofrecer son varias, desde estudios óseos, en el área odontología, bioingeniería o paleontología. Ha sido también empleada para la detección de tumores, calcificaciones en órganos, el arreglo estructural de la madera, entre muchos otros estudios (Kherloplan et. al., 2008; Boerckel et. al., 2014).

Ventajas y desventajas del MicroCT

Sobre las ventajas podemos resaltar que es una técnica rápida, obteniendo resultados en un plazo de 2 hasta 12 hrs., es muy sensible y por lo tanto ofrece imágenes 3D de alta resolución. No importa el origen de las muestras, se pueden examinar tanto materiales como muestras biológicas. Explorar un ejemplar por MicroCT permite tener la información de la estructura interna de la muestra y al mismo tiempo estudiar características como porosidad, grosor, densidad, tamaño de partículas, ente otros. Respecto a las desventajas, debido al uso rayos X para la proyección de imágenes, se ha de evitar la sobreexposición de la radiación dado que podría dañar la muestra y en consecuencia alterar los resultados.

Conclusión

Hacer uso de este instrumento y complementarlo con otras técnicas de microscopía y moleculares facilitará el estudio de la naturaleza y ayudaría a comprender mejor lo que ocurre durante los procesos biológicos en todos los seres vivos que nos rodean.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Proyecto FORDECyT “Generación de estrategias científico-tecnológicas con un enfoque multidisciplinario e interinstitucional para afrontar la amenaza que representan los complejos ambrosiales en los sectores agrícola y forestal de México” y a su responsable técnico Dra. Diana Sánchez-Rangel (Cátedra CONACyT), por la compra del MicroCT (Bruker, SkyScan 1174v2) y por el apoyo económico al Investigador Asociado DFGT. A la Ing. Olinda Velázquez y Est. Elizabeth Landa por su valiosa ayuda en la preparación de muestras. A V. Ramírez y T. Muñoz por sus valiosos comentarios.

Referencias Bibliográficas

Alba-Tercedor J., & Hunter W.B. (2014). From the sample preparation to the volume rendering images of small animals: A step by step example of a procedure to carry out the micro-CT study of the leafhopper insect Homalodisca vitripennis (Hemiptera: Cicadellidae). In Proceeedings: Bruker Micro-CT Users Meeting 2014. p 260-288. Ed. BrukermicroCT. Kontich, Belgium (ISBN: 9789081678100, ISSN: 2033-8031).

Boerckel J.D., Mason D.E., McDermott A.M. & Alsberg E. (2014). Microcomputed tomography: approaches and applications in bioengineering. Stem Cell Research & Therapy. 5:144.

Bruker MicroCT (2013). Compact X-ray micro-CT SkyScan 1174v2 User Manual. Kartuizersweg, Belgium. 50pp.

Kherlopian A.R., Song T., Duan Q., Neimark M.A., Po M.J., Gohagan J.K. & Laine A.F. (2008). A review of imaging techniques for systems biology. BMC Systems Biology 2:74 doi:10.1186/1752-0509-2-74.

Feldkamp L.A., Goldstein S.A., Parfitt A.M., Jesion G. & Kleerekoper M. (1989). The direct examination of three-dimensional bone architecture in vitro by computed tomography. J Bone Miner Res. 4:3–11.

Li D., Zhang K., Zhu P., Wu Z. & Zhou H. (2011). 3D configuration of mandibles and controlling muscles in rove beetles based on micro-CT technique. Anal Bioanal Chem. 401:817–825.

Simonsen T.J. & Kitching I.J. (2014). Virtual dissections through micro-CT scanning: a method for non-destructive genitalia ‘dissections’ of valuable Lepidoptera material. Systematic Entomology. 39:606-618.

Schambach S.J., Bag S., Schilling L., Groden C., Brockmann M.A. (2010). Application of micro-CT in small animal Imaging. Methods 50:2–13.

Figuras

Figura complemento: Visualización (3D) de los componentes de una semilla de papaya Crédito: Mónica Ramírez

Fig 1: Cianobacteria (Scytonema cf. guyanense). a) Filamento observado en un microscopio óptico convencional (campo claro); b) Corte transversal de una célula del tricoma (cianobacteria) visto por Microscopía Electrónica de Transmisión. Crédito: Mónica Ramírez

Fig 2: Modelo tridimensional por microtomografía computarizada. a) hoja de la planta del café (Coffea arabia var. Bourbon Amarillo); b) Corte transversal de un jitomate. Crédito: Mónica Ramírez

Fig 3: Cortes virtuales desde distintos ángulos de un hueso de pollo. a) frontal; b) transversal; c) sagital. Crédito: Mónica Ramírez

Fig 4: Funcionamiento de un microtomógrafo computarizado (MicroCT). Crédito: Mónica Ramírez

Fig 5: a) Procedimiento de la captura de múltiples imágenes (proyección de sombras en 2D) de un diente; b) reconstrucción 3D y vista interna de un escarabajo; c) modelo 3D de una semilla de papaya Crédito: Mónica Ramírez

Fig 6: (slider) Microtomografía de Xyleborus affinis. Crédito: Mónica Ramírez