Universidad Nacional de General San Martín

Transcripción

1 Universidad Nacional de General San Martín Carrera: tecnicatura universitaria en diagnóstico por imágenes Materia: proyecto final integrador Coordinadora: Lic. Pérez Amalia Tutor: Dr. Román Ricardo Alumna: Ayala Sandra 1

2 OBJETIVOS El trabajo de investigación se centra en el estudio de los protones en el cerebro humano que es el órgano más estudiado en el área clínica. Se pretende proporcionar los conocimientos necesarios sobre: corrimiento químico de los distintos metabolitos presentes en las células; la instrumentación utilizada junto con las distintas técnicas más comunes implementadas en los equipos de resonancia magnética, y los principales factores a tener en cuenta para lograr un espectro de buena calidad. Se indica hacia qué campos médicos se extiende la técnica espectroscópica de los protones y cómo poder distinguir casos de pacientes que poseen ciertas patologías dependiendo del grado de concentración de metabolitos observados durante el análisis espectral. En cuanto a la espectroscopia de fósforo (ERM-P31), se especifica básicamente la funcionalidad de la técnica, las principales regiones de examinación y los metabolitos más importantes del fósforo. 2

3 INTRODUCCIÓN IÓN Tras el descubrimiento del fenómeno físico de la resonancia magnética por el grupo Bloch y Purcell, numerosos equipos de investigación trabajaron en el estudio de las variaciones de la frecuencia de resonancia en función del tipo de núcleo observado (Hidrógeno-1, fósforo- 31, carbono-13, sodio-23, etc.) y considerando un tipo de núcleo en función de la molécula en la que está integrado, todo ello fue el inicio de la espectroscopia por resonancia magnética nuclear; es decir, la espectroscopia por resonancia magnética (ERM) es el estudio del desplazamiento químico de los núcleos. Básicamente imanes más potentes y con una estabilidad mayor, cada vez más fue posible estudiar moléculas de mayor peso molecular. La espectroscopia por resonancia magnética (ERM, en inglés MRS) que analiza protones en el cerebro humano fue demostrada inicialmente en la década de los ochenta. En los últimos años, esta técnica ha ganado en forma paulatina, la aceptación como método diagnóstico en diversas enfermedades neurológicas. La ERM utiliza los principios de la espectroscopia, la cual se desarrolló inicialmente para el análisis de muestras químicas puras, generando posteriormente información en relación con los diferentes constituyentes químicos del cuerpo humano. La espectroscopia protónica por resonancia magnética (o ERM-H1) tiene tres ventajas fundamentales e importantes: - La abundancia de los protones en forma 100% natural evita la necesidad de utilizar sustancias radiactivas para su realización. - Puede utilizarse en la mayoría de las máquinas de resonancia magnética utilizadas para la evaluación clínica de pacientes y; - Es altamente sensible debido al gran rango giromagnético de los protones naturales. En el cerebro existen grandes cantidades de grasa y agua: por el contrario, muchos de los químicos de interés biológico se encuentran en concentraciones muy pequeñas para ser determinadas in vivo. La habilidad de registrar señales de químicos de interés biológico en pequeñas áreas cerebrales es por lo anterior, muy limitada. La espectroscopia además de realizar el análisis de protones de un tejido puede también estudiar el metabolismo tisular determinando ATP, fosfocreatina y fosfatos inorgánicos, mediante la utilización de fósforo-31. No obstante, la mayoría de los estudios de ERM se han basado en el estudio de protones. 3

4 La aplicación de la ERM-H1, se caracteriza porque todas las resonancias aparecen en un estrecho intervalo de desplazamiento químico, unos 10 ppm, que se traduce en la existencia de solapamientos entre resonancias de diferentes compuestos y además normalmente un compuesto, tiene más de una resonancia que puede estar desdobladas (dobletes) o multiplicadas (multipletes), debido a interferencias energéticas (acoplamiento) entre protones vecinos dentro de una misma molécula. 4

5 ASPECTOS BIOFISICOS Frecuencia de resonancia: Como la MRI, la MRS se basa en la propiedad que presentan ciertos núcleos atómicos de absorber selectivamente energía de radiofrecuencia cuando se colocan bajo un campo magnético. Este exceso energético es liberado por los núcleos mediante un proceso de relajación nuclear. Las frecuencias de las radio-ondas en los procesos tanto de absorción como de relajación es directamente proporcional al valor del campo magnético que percibe el núcleo. Si el entorno electrónico varía, la frecuencia de relajación variará también, entonces el núcleo emitirá frecuencias distintas según los radicales de los que forme parte. Existen más de cien núcleos atómicos que presentan el fenómeno de resonancia magnética nuclear, sin embargo, el número de ellos que presentan o pueden presentar un mayor interés clínico es más reducido y junto a algunas de sus propiedades se presentan en la tabla siguiente (A). La información que se obtiene de cada uno de ellos es diferente y, por ello, cuando se habla de un estudio por espectroscopia o de un espectro de RM es recomendable añadir el núcleo que se ha observado. La tabla muestra como la frecuencia de resonancia de un núcleo varía en función del campo magnético aplicado, se utilizan núcleos cuya abundancia natural varía desde el 100% hasta otros que se presentan en la naturaleza en un porcentaje inferior al 0,1. Los núcleos considerados tienen una sensibilidad inferior a la del hidrógeno-1, lo que, desde un punto de vista técnico, complica la detección de sus señales. En la práctica, el núcleo de hidrógeno-1 (protón) es el más utilizado en el campo de las neurociencias. TABLA (A): PROPIEDADES DE LOS NÚCLEOS DE MAYOR INTERES EN ERM IN VIVO Núclleo Núcleo Spiin Spin Frecuenciia Frecuencia de Frecuenciia Frecuencia resonanciia resonancia resonanciia ncia ((mhz)) (mhz) ((mhz)) ( de Frecuenciia Frecuencia resonanciia ncia ((mhz)) ( de Abundanciia Abundancia Natturall Natural ((%)) (%) Sensiibiilliidad Sensibilidad absollutta absoluta 1,5 T 2 T 4,7 T H-1 ½ 63,83 85,10 200,00 99,98 1,00000 C-13 ½ 16,05 21,40 50,29 1,11 0,00018 N ,61 6,14 14,45 99,63 0,00100 N-15 ½ 6,47 8,62 20,27 0,37 0,00390 O-17 5/2 8,65 11,53 27,11 0,04 0,00001 F-19 ½ 60,05 80,07 188,15 100,00 0,83000 Na-23 3/2 16,88 22,51 52,90 100,00 0,09300 P-31 1/2 25,84 34,45 80,96 100,00 0,

6 Desplazamiento químico: Los hidrógenos de una molécula resuenan a desplazamientos químicos distintos en función de la densidad electrónica que les circunda. Dado que los electrones en las moléculas modifican el campo magnético percibido por los núcleos, cada núcleo de hidrógeno tendrá una frecuencia de resonancia ligeramente diferente. En otras palabras, los electrones en movimiento crean un pequeño campo magnético que se opone al campo externo. Los electrones apantallan a los núcleos y éstos sienten o perciben un campo ligeramente menor que el real (Bo). Una mayor densidad electrónica circundante a un hidrógeno hace que éste aparezca en un espectro rmn a desplazamientos químicos pequeños (apantallamiento). Una densidad electrónica pequeña alrededor de un hidrógeno hace que éste aparezca a desplazamientos químicos más alto (desapantallamiento). El campo magnético real que sufre cada hidrógeno está modulado por la densidad electrónica circundante. El lugar que ocupan los hidrógenos en una molécula (topicidad) hace que puedan aparecer al mismo o diferente desplazamiento químico. El desplazamiento químico identifica el radical en el que se encuentra el núcleo independientemente del valor del campo magnético. La escala de desplazamiento químico permite establecer una relación entre posición y radical que permite la identificación de los diferentes compuestos presentes en la muestra analizada independientemente del campo magnético en que se ha obtenido el espectro. Los espectrómetros utilizan ondas de radio para producir las señales. Por tanto, las señales aparecen en el espectro a una determinada frecuencia. 6

7 La frecuencia a la que aparecen (Hz) se divide por la frecuencia principal del instrumento (MHz) y se obtiene así una escala universal: la escala δ o ppm. Algunos detalles importantes: El desplazamiento químico se mide en unidades δ (partes por millón, ppm). La escala δ permite comparar espectros registrados en aparatos de diferente campo. En un aparato de 200 MHz las señales de un compuesto aparecen a las mimas ppm que en un equipo de 500 MHz, pero no a los mismos Hz. En un aparato de 500 MHz "caben" 2.5 veces más señales por unidad δ que en un equipo de 200 MHz. La resolución de un equipo de resonancia magnética nuclear (RMN) es mayor cuanto mayor sea la potencia de su campo magnético En la práctica para cada núcleo existen una serie de compuestos de referencia a partir de los cuales se tabula la posición de los demás. Así, en espectroscopia de protón las referencias más comunes son el tetrametilsilano (TMS) o el 3-trimetilsilil{2,2,3,3-H 2 }propionato sódico (TSP) que no se encuentran en las células de los organismos vivos. A la posición de la resonancia de estos compuestos se le asigna el valor de 0 ppm y se ha observado que respecto a ellas, el grupo metil de la creatina/fosfocreatina aparece a 3,02 ppm y el del grupo N-acetilaspartato a 2,02 ppm. Estos dos últimos son las referencias más habituales en estudios in vivo. Acoplamiento spin-spin: El efecto de desdoblamiento de los picos se debe a lo que se conoce como acoplamiento spin-spin. El momento magnético de un núcleo de hidrógeno, interactúa a los campos magnéticos de los núcleos adyacentes, y eso genera que en lugar de existir una única frecuencia de resonancia (es decir, una única diferencia de energía entre las configuraciones paralela y antiparalela), haya varias muy cercanas unas de otras. Este desdoblamiento muestra los diferentes posibles modos de "sentir" a los núcleos vecinos. Resulta más sencillo verlo con un ejemplo. Este es el espectro de alcohol etílico (conocido también como etanol): CH 3 CH 2 OH 7

8 Lo primero que se puede apreciar, es que no solamente hay unos pocos picos, sino más bien que hay picos simples, otros dobles e incluso grupos de picos más grandes. La razón por la que exista un grupo de picos en lugar de uno solo, es que los hidrógenos de un carbono se encuentran acoplados a, o influenciados por los campos magnéticos de los hidrógenos de los núcleos adyacentes. Este acoplamiento "separa" la señal en los picos múltiples que se ven en el espectro. Esta separación sigue una regla que es conocida como "N más uno", es decir, el número de picos que se ven para cada tipo de hidrógeno es igual al número de hidrógenos en el núcleo adyacente (N) más uno. CH 3 CH 2 OH Por ejemplo, el pico entre 1 y 2 corresponde a los hidrógenos del grupo CH 3. Dicho pico está separado a su vez en tres picos, por culpa (acoplamiento) de los hidrógenos del grupo CH 2 (2+1=3). Los H del CH 3 son todos equivalentes y por ello no se acoplan entre si, pero si se acoplan con los H vecinos (del CH 2 ), dando lugar a un triplete (2H vecinos generan 3 picos y a eso se llama triplete). El pico entre 3 y 4 es el correspondiente a los hidrógenos del grupo CH 2. El mismo está separado en cuatro picos por los hidrógenos del grupo CH 3 (3+1=4). Finalmente en el ejemplo de etanol, el H unido al O no se acopla con los H del CH 2 porque el O es muy electronegativo, es decir, "trata de quedarse con los electrones de la unión con el H". Por eso, ese H (hidrógeno) se intercambia con otras moléculas, y por lo tanto no se acopla con los otros H (hidrógenos). 8

9 TÉCNICA Y OBTENCIÓN DE LOS ESPECTROS DE RESONANCIA MAGNÉTICA (Los núcleos más importantes para MRS) Para las aplicaciones en MRS los núcleos deben de cumplir ciertos prerrequisitos: Sensibilidad magnética: los núcleos deben ser sensibles a la magnetización, es decir, sólo los átomos en los que la suma de protones y neutrones es impar, tendrán un momento magnético angular global no nulo y podrán servir para su detección en resonancia magnética (RM). Debido a que el núcleo de hidrógeno demuestra una gran sensibilidad magnética para su detección, éste es usado como referencia para otros núcleos. Por lo tanto, por definición, el núcleo de hidrógeno posee una sensibilidad relativa de 1 (o 100%). El número quántico del spin:. Los núcleos de muchos elementos químicos poseen momentos dipolares magnéticos caracterizados por un número cuántico de spin: I. Según el núcleo, I puede valer 0 ( 12 C, 16 O, 32 S), ½ ( 1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P), 1 ( 14 N). En presencia de un campo magnético los núcleos se pueden encontrar en 2I+1 niveles de energía distintos. Para el protón (núcleo de 1 H) hay 2 x ½ + 1 = 2 niveles de energía. Un protón en el nivel inferior puede absorber radiación electromagnética (ondas de radio) de frecuencia (fo) y pasar al estado superior. El protón que absorbe energía se dice que está en resonancia con el campo electromagnético. Un núcleo que tenga un spin de I = ½ generalmente reduce los picos. Núcleos con un número quántico de spin mayor genera picos anchos y la posibilidad de empobrecer la resolución del espectro. Representación esquemática de los dos niveles de energía que adopta el protón de hidrógeno caracterizados por un número quántico de Spin nuclear= ½ Abundancia isotópica natural: El átomo de hidrógeno es el más abundante en el organismo humano. 9

10 Isótopo Abundanciia Abundancia iisotópiica isotópica Sensiib Sensibiiliidad illidad rellatiiva relativa Número quántiico quántico de naturall spiin spin H-1 99,9 1 ½ N-15 0,4 0,001 ½ F ,84 ½ Na ,1 3/2 P ,06 ½ OBTENCION DEL ESPECTRO El proceso para obtener un espectro in vivo se puede dividir en tres fases: 1) Posicionamiento de la bobina en la región en la cual se quieren obtener los espectros, 2) Homogenización del campo magnético en la zona de interés y 3) Obtención del espectro Posicionamiento de la bobina Consiste en asegurar que la zona a estudiar esté situada correctamente dentro del volumen de observación de la bobina mediante la obtención de una serie de imágenes rápidas, las cuales servirán posteriormente para la localización del voxel de interés. Homogenización del campo magnético Los tejidos y los órganos de distintas personas presentan diferentes susceptibilidad magnética que causa cambios en la intensidad del campo magnético. Cuando estos cambios se producen dentro del volumen a estudiar, un núcleo en una determinada célula presenta gran variación en sus frecuencias de resonancia, como resultado es el origen de un espectro con unos picos muy anchos y de menor intensidad. Este problema se soluciona colocando la bobina en el centro del imán o muy cerca de él, para así obtener la mayor homogeneidad del campo magnético. Para eliminar este problema los equipos ya vienen equipados con un conjunto de bobinas que generan gradientes de campo magnético, la corriente que circula por estas bobinas se varía de manera que se compensen estas inhomogeneidades del campo principal. Obtención de un espectro La obtención de un espectro es más manual y los parámetros deben optimizarse experimentalmente mediante estudios previos con pacientes voluntarios. Para diseñar un protocolo de MRS se debe tener en cuenta una serie de factores. Naturalmente la correcta selección del núcleo de observación es básica ya que la sensibilidad magnética y la abundancia natural entre otros factores, determinarán la posibilidad de detectar el metabolismo de interés. La selección de la bobina se hará en función a la región a estudiar, tanto para la obtención como su respectivo pos-proceso se 10

11 debe tener en cuenta la uniformidad de las señales o excitaciones que generan. (En la práctica clínica generalmente se utilizan 128 señales de promedio para obtener un espectro adecuado para su interpretación). El tipo de secuencia de pulso a estudiar es un factor importante y la necesidad de localizar la región a explorar teniendo en cuenta sus características y limitaciones técnicas. El tamaño del voxel se decidirá en función del núcleo de observación, de la concentración de los metabolitos que se deseen detectar y del tamaño de la zona patológica. Las dimensiones actuales de los voxel (volúmenes) son variables, desde 1x1x1 cm (1cm 3 ) a 3x3x3 cm (27 cm 3 ). A medida que se utilizan volúmenes más pequeños, la relación señal-ruido disminuye y es necesario obtener un promedio de señales más grande para alcanzar un espectro de adecuada calidad, el tiempo de adquisición también estará en función a dicho valor (señalruido). Análisis de un espectro El análisis de un espectro nos proporciona información sobre los compuestos presentes, sus niveles y su entorno. Así, luego del procesado de la señal original ya se inicia el análisis del espectro para extraer la información deseada. Para ello se estudia: 1. La posición de la resonancia nos permite identificar el compuesto que origina la señal. 2. El área bajo cada resonancia es proporcional al número de núcleos que contribuyen a la señal con lo cual, se pueden calcular las concentraciones de los metabolitos presentes. 3. En la nitidez de cada pico del espectro influyen varios factores, algunos de ellos son: homogeneidad del campo magnético externo; tiempo de relajación transversal o T2, es decir, cuanto más prolongado es el T2, más estrecho es el pico del espectro. INSTRUMENTACION UTILIZADA EN ERM Para la ERM se utilizan los mismos elementos que requiere un equipo de imagen por resonancia magnética (IRM): imán, sistema de radiofrecuencia (RF), antena o bobina transmisora de RF, antena receptora de RF, ordenador. El imán es el componente básico de un sistema de imágenes por resonancia magnética. El sistema de RF es responsable de la generación y transmisión de la energía de radiofrecuencia utilizada para excitar los protones. Antena emisora: para la emisión de los pulsos de RF se precisa la utilización de una antena. El objetivo de esta antena es transformar las señales eléctricas generadas por el equipo de resonancia, en ondas electromagnéticas que permitan la correcta excitación de los núcleos. El diseño de la antena se realiza de forma que la dirección de emisión sea perpendicular al eje del campo magnético del imán, es decir, sobre el plano transversal. Generalmente presentan forma cilíndrica, a fin de producir una excitación de RF lo más uniforme posible, 11

12 y deben garantizar niveles de señal suficientemente elevados para una correcta excitación y posterior recepción. En todos los equipos de RM (resonancia magnética nuclear), existen una o varias antenas emisoras. La mayor (antena de cuerpo o body coil), está diseñada sobre una superficie cilíndrica, coaxial con el eje del imán y concéntrica con el cilindro de gradientes, en cuyo interior se introduce al paciente para la realización de la exploración. Además existen otras antenas emisoras que operan sobre zonas localizadas del cuerpo, las más utilizadas son la antena emisora de cabeza y la de rodilla. Este tipo de antenas (conocidas como antenas de cuadratura presentan una mayor interacción con el tejido y, en teoría, logran un pulso de 90 con un 50% menos de depósito energético. Las emisiones de RF utilizadas en RM producen depósito calórico en el cuerpo de forma análoga al calentamiento que sufriría un tejido en el interior de un horno de microondas. Por razones de seguridad, en el uso clínico de la RM se limita el valor máximo de este depósito energético. Para cada paciente se calcula el depósito calórico mediante el cociente específico de absorción, es decir, la potencia absorbida por el cuerpo (en watts) por kilogramo de peso del paciente. Todos los sistemas de MRI utilizan una bobina receptora para detectar los voltajes inducidos por los protones luego del pulso de RF. En otras palabras, están diseñadas para transformar las variaciones de campo magnético inducidas durante la relajación en corriente eléctrica. La eficiencia con la que la antena receptora convierte la radioseñal incidente en tensión eléctrica, se describe como el factor de calidad o factor q de la antena. Este factor es un indicador de la selectividad de la antena y de su capacidad de recepción; a mayor factor q de la antena, mayor nivel de potencia de señal recibido en una estrecha banda de frecuencias alrededor de la frecuencia de resonancia. La forma y tamaño exactos de las bobinas receptoras dependen del fabricante, pero su campo de recepción efectivo debe ser perpendicular al campo magnético principal (Bo). Teniendo en cuenta que la sensibilidad para la captación de las señales decae rápidamente con la distancia, la antena receptora debe colocarse lo más cerca posible de la zona a explorar (o zona de interés), adaptándose incluso a la forma exterior del cuerpo en la zona correspondiente. Por otro lado, la antena receptora también es sensible al ruido eléctrico generado por los movimientos térmicos de los iones del cuerpo. Adaptando la antena (o bobina) lo mejor posible a la zona de interés, logramos mejorar el cociente señal/ruido al aumentar la señal de la zona y disminuir la captación del ruido del resto del organismo. Las antenas óptimas para lograrlo en zonas específicas localizadas a poca profundidad son las denominadas antenas o bobinas de superficie. Existen por lo tanto en todo el sistema de RM, una antena o bobina receptora general o de body (en inglés), que suele ser la misma antena emisora, que permite la recepción de cualquier señal generada en el cuerpo y por otro lado existe un juego de antenas de superficie específicas para zonas determinadas. Cuanto mayor sea la profundidad a la que se quiere llegar, mayor deberá ser el radio de la antena de superficie utilizada En la ERM, la homogeneidad del campo debe ser superior a la que se requiere en la IRM para no perder información de la desviación química, por lo tanto se requiere de un equipo de 1,5 Tesla. Aunque no requiere de equipo para procesar imagen, se necesita de un conjunto de hardware y sofware para visualizar los espectros, calcular la frecuencia de la desviación química y medir el área de los picos. La técnica que se utiliza para obtener la visualización de los espectros es la llamada PROBE. El PROBE aumenta la capacidad diagnóstica de la neuroimagen y está disponible como secuencia estándar. 12

13 APLICACIONES CLINICAS La idea central del uso de ERM en pacientes es la de determinar qué tipo de sustancias se encuentran en una determinada región del cuerpo y cómo varía su concentración en diferentes zonas o condiciones fisiológicas. La señal preponderante en los tejidos es la del agua, ya que es el metabolito más abundante. Además del agua en ERM se pueden detectar otros metabolitos que son indicadores de tejidos enfermos y que pueden evaluar incluso la efectividad de ciertos tratamientos. Para poder detectarlos, primero es necesario suprimir la señal del agua, esto se logra a través de una secuencia de pulsos específica. En la siguiente tabla se muestran algunos de los metabolitos y sus correspondientes desplazamientos químicos. La mayoría de los estudios se han realizado en el cerebro y las aplicaciones actuales se dirigen a ese tejido, aunque se están desarrollando aplicaciones para otros, como por ej., riñones, músculos y próstata. Desplazamiento químico de los principales compuestos que se pueden detectar en diferentes tejidos mediante ERM-H1 in vivo (ppm) Metabolitos 0,8-1,1 Leucina (Leu), isoleucina (lle), valina (Val) 0,8-2,5 Acidos grasos (Lip) 1,15 Propilenglicos, etanol 1,3 Acido láctico (Lac) 1,45 Alanina (Ala) 1,85 Acido acético (Ac) 2,02 N-acetilaspartato (NAA), N-acetilaspartiglutamato (NAAG) 2,1-2,5 Acido glutámico (Glu), glutamina (Gln) 2,25 GABA 2,6 N-acetilaspartato, citrato (Cit) 2,8 Acido aspártico (Asp) 3,02 Creatina (Cr), fosfocreatina (PCr) 3,2 Colina, etanolamina, fosforilcolina, fosforiletanolamina, glicerofosforilcolina, glicerofosforiletanolamina (Cho) 3,3 Taurina (Tau), scyllo-inositol (slno) 3,4 Glucosa (Glc) 3,55 Myo-inositol (MI), glicina (Gly) 3,6-3,8 Acido glutámico, glutamina 3,5-4,0 Arabitol, ribitol 3,8 Glucosa, manitol 3,9 Creatina, fosfocreatina 5,3-5,7 Acidos grasos 7,3 Fenilalanina (Phe) 13

14 Representación idealizada de la posición en que aparecen las principales resonancias que se pueden observar en el espectro de protón. A continuación se describe la información que aportan los metabolitos mayormente detectados. 1) La resonancia más intensa que se observa en el espectro de protón de personas sanas situada a 2,02 ppm es debida al grupo N-acetil presente, principalmente, en el N- acetilaspartato (NAA). El (NAAG), que se encuentra principalmente en la sustancia blanca, aparece en la misma posición que el NAA y se cree, que origina entre el 10 y el 20 % de la resonancia. Diversos estudios sugieren que estos compuestos están presentes de manera específica en la neurona del cerebro de personas adultas. Sin embargo actualmente, también es conocido que el NAA puede estar presente en otras células como las precursoras de oligodendrocitos. La excitante posibilidad de poder utilizar la resonancia del NAA como un marcador neuronal ha sido uno de los factores más utilizados para justificar el interés clínico de la espectroscopia de protón. 2) Colina (Co, pico 3,2 ppm), en el pico de la Co contribuyen la fosfocolina, glicerofosfocolina y fosfatidilcolina. La colina forma parte de la membrana celular. 3) Creatina y fosfocreatina: (aparecen a 3,02 y 3,9 ppm de manera conjunta). Estos compuestos son básicos en el metabolismo energético del cerebro. 4) El lactato se detecta a 1,3 ppm, su presencia indica que el mecanismo oxidativo de respiración celular es inadecuado y que está siendo reemplazado por el catabolismo. En condiciones normales esta resonancia está en el límite de detección de la técnica y 14

15 prácticamente no es visible. Situaciones de hipoxia originan prácticamente, de manera instantánea incrementos de lactato que se pueden mantener durante días. Una isquemia puede dar lugar a un incremento de lactato que se puede mantener de manera crónica. 5) Myo-inositol que produce distintas resonancias, la más importante a 3,55 ppm, es un azúcar que forma parte de un tipo de lípidos, fosfatidilinositol. Pero también es un compuesto que forma parte de un grupo de mensajeros como son los inositol polifosfatos. Los compuestos que dan lugar a esta resonancia son el myo-inositol y el myo-inositolmonofosfato. Es un metabolito que actúa en la neurorrecepción hormono-sensitiva (dependiente de hormonas). La disminución de MI se ha asociado con la acción protectora del litio en casos de neuropatía diabética. La combinación de MI elevado con disminución de NAA se ha observado en la Enfermedad de Alzheimer. 6) Glutamato (Glu), es un neurotransmisor que actúa en el metabolismo de las mitocondrias. El pico de Glu se localiza entre 2,1 y 2,5 ppm. 7) Alanina, es un amino-ácido no esencial cuya función es incierta. Su pico se encuentra entre 1,3 y 1,4 ppm. Se puede incrementar en ciertas lesiones del SNC, observándose esta elevación en tumores intracraneales tales como los meningiomas. Interpretación de la ERM: Un método apropiado para el diagnóstico en neuroespectroscopía consiste en definir cada metabolito en el espectro cerebral de H1 y determinar si se encuentra elevado o reducido con respecto a la creatina. La altura de la ERM se lee de derecha a izquierda, el pico agudo más alto de resonancia, 2 ppm, corresponde al marcador neuronal (NAA); el siguiente grupo de picos pequeños corresponden a la glutamina y glutamato. La segunda resonancia más alta a 3 ppm es la creatina y junto a ésta existe otro pico pronunciado asignado a la colina, la cual forma parte de la membrana celular. Otro pequeño pico es el mioinositol, cuya identificación es difícil debido a que tiene un espectro similar al de la glucosa. Un pico que aparece a 1,33 ppm es el del lactato. El espectro en el recién nacido tiene diferencias importantes: a) Existe inversión en la altura de los picos del NAA, Co, Cr y mioinositol. b) El pico de Co es mayor que el de Cr (a manera inversa que en el adulto). Uno de los campos en el que se ha trabajado más es en la aplicación de la ERM-H1 en pediatría debido a la posibilidad de detectar déficit metabólicos. Cuando se trabaja con niños, al analizar el espectro, hay que tener en cuenta que este muestra la existencia de cambios con la edad que no indica la presencia de patología sino que más bien refleja el proceso de maduración cerebral. Además, al igual que en adultos, el patrón espectral también muestra la existencia de diferencias entre regiones cerebrales. Por ello, para poder interpretar correctamente el espectro además de tener el patrón normal obtenido de niños sanos en la región de interés hay que tener la información sobre la evolución normal de esa región para poder aplicar las correcciones por la localización y la edad. La oncología es el otro gran campo donde la ERM-H1 ha tenido una gran aceptación. Respecto a los tumores intracraneales se puede decir que el diagnóstico basado solo en el 15

16 espectro es complicado aunque se trabaja en métodos automáticos que analizan todo el espectro buscando las regiones de máxima diferencia. Las alteraciones espectrales más destacables en los diferentes estudios son: -Disminución o ausencia de la resonancia del NAA reflejando la ausencia de neuronas y axones. -El lactato que se detecta en ocasiones normalmente se ha asociado a la existencia de regiones de alta actividad tumoral, necróticas o quísticas. -La alanina es normalmente observada en meningiomas, aunque no se ha establecido de manera indiscutible su utilidad para el diagnóstico ya que no aparece en todos los meningiomas y se ha descrito que puede estar presente en otro tipo de tumores aunque en proporción menor. -Los lípidos normalmente relacionados con la existencia de necrosis se han observado en metástasis y glioblastomas multiformes. Por ello, su presencia se propone como un criterio de malignidad sobre todo cuando aparecen en espectros registrados con un TE largo. -La Cr y la PCr normalmente disminuidas lo cual sugiere la existencia de un bajo nivel energético o en el caso de tumores secundarios, metástasis, originadas en órganos cuyas células no contienen este compuesto. En ciertos casos la apariencia de un tumor por IRM se puede confundir con la de un absceso, recientes trabajos muestran que la ERM-H1 puede ser un instrumento complementario útil para realizar la diferenciación entre tumor y absceso ya que se ha observado en este último la presencia de acetato y aminoácidos que no se ha descrito en ningún tipo de tumor y tampoco aparece en el tejido sano. En algunos casos puede ser más interesante utilizar una secuencia de imagen espectroscópica (múltiples volúmenes) en vez de una secuencia de volumen único. Una de estas situaciones puede ser en el estudio de tumores en los que es posible encontrar heterogeneidades metabólicas dentro de la lesión por lo que el patrón espectral no es uniforme en el tumor. 16

17 Fig. 1.- Espectros de 1H RMN ( MHz, 22 C, ph 7.2) de extractos de tejido cerebral normal y de diversos tipos de tumores. Lac: lactato H3, Ala: alanina H3, NAA: N-acetil-aspártico H6, Glu: glutámico H4,H4', Gln: glutamina H4,H4', Cr: creatina y fosfocreatina (CH3:3.02 ppm, CH2: 3.95 ppm), Cho: grupos (CH3)3N+- de colina, fosforilcolina, glicerolfosforilcolina y betainas, Tau: taurina H3,H3', Gly: glicina H2, Ino: myo-inositol H2. Los desplazamientos químicos se expresan en ppm con respecto a la señal del TSP a 0 ppm. 17

18 TÉCNICAS Y SECUENCIAS PARA LA ADQUISICION DE ESPECTROS EN ERM-H1 Las técnicas más empleadas son la espectroscopia de un solo voxel (single-voxel spectroscopy SVS) y la imagen por corrimiento químico de multi-voxel 2D y 3D (multi voxel 2D and 3D chemical shift imaging 2D-CSI y 3D-CSI). La técnica de SVS y algunas de CSI, usan esquemas de selección de voxels que están basadas en secuencias de pulsos (por ej. la de spin-echo), que consiste en tres pulsos de radiofrecuencia donde excitan planos ortogonales. El espectro se colecta entonces del voxel que es la intersección de los tres planos. SVS produce un espectro de un solo voxel que tiene típicamente un volumen de 8 cm 3. La técnica CSI (espectro de un corte total de cerebro) mide en cambio la señal de varios voxels o regiones en forma simultánea que tienen típicamente un volumen de 1 a 1,5 cm 3. Los espectros de CSI se pueden representar de varias maneras, desde espectros individuales, mapas espectrales o la concentración y composición de los metabolitos sobre la imagen de RMI. SECUENCIAS DE PULSOS: Al igual que IRM, para obtener un espectro también se utilizan secuencias de pulsos, que consiste en una serie de pulsos de radiofrecuencia y de gradientes de campo magnético que se activan a tiempos determinados para obtener la señal de resonancia. Secuencia spin-echo: Es una secuencia constituida por tres pulsos de excitación con selección de plano, el primero de 90º y los otros dos de 180º. El grosor de estos planos viene determinado por las dimensiones del volumen del cual se desea obtener el espectro. El resultado final es una señal de eco que proviene solamente del volumen de interés, que ha sido excitado por los tres pulsos. Gradientes adicionales alrededor de los pulsos de 180º, ayudan a destruir la magnetización de regiones externas al volumen de interés. Esta secuencia de pulsos está precedida por un número variable, entre 18

19 1 y 3, de pulsos selectivos a la frecuencia de resonancia del agua destinados a suprimir la resonancia del agua. Secuencias de imagen de desplazamiento químico o de imagen espectroscópica con excitación selectiva de un volumen: Es una metodología que permite la adquisición de múltiples espectros localizados de manera simultánea. La aplicación de las secuencias CSI al estudio del cerebro por espectroscopia de protón presenta, entre otros, el inconveniente que la señal de la grasa subcutánea puede contaminar espectros de volúmenes próximos. Para evitar este problema se ideó la combinación de la tecnología CSI con un sistema de preselección de un volumen de interés grande, del cual se puede excluir la grasa subcutánea, mediante la secuencia SE o STEAM (secuencia de eco estimulado). La técnica de selección del volumen se combina con la aplicación de 1,2 o 3 gradientes de codificación de fase que permiten después del procesado de la señal obtener espectros de diferentes sub-volúmenes dentro del volumen de interés seleccionado. En función del número de gradientes activados la secuencia CSI se denomina monodimensional (1D-CSI), bidimensional (2D-CSI) o tridimensional (3D-CSI) y la localización que se obtiene es diferente. Así, en una secuencia 1D-CSI, el plano excitado se divide por filas o columnas de cada una de las cuales se obtiene un espectro. En la técnica 2D-CSI, que es la más empleada en la actualidad, el plano se divide a la vez en filas y columnas lo que origina una serie de volúmenes de los que se obtienen los espectros. Finalmente, un 3D-CSI, excita un volumen por filas y columnas y se obtienen espectros de volúmenes en los diferentes planos. 19

20 ESPECTROSCOPIA DE FÓSFORO Utilizada en el análisis no invasivo de la energía estática de los metabolitos en el músculo, el hígado y tejidos cardíacos. Haciendo la detección de las concentraciones del fósforo y registradas en curvas espectroscópicas de los metabolitos especificados tales como: fosfocreatina (PCr), fosfato inorgánico (Pi), adenosin trifosfato (ATP), fosfomonoester (PME) y fosfopodiester (PDE), son algunos de los que pueden ser medibles por este método. Son pocos los metabolitos en el cuerpo humano que contienen fósforo, pero son de gran importancia fisiológica. Análisis cuantitativo: 31P-MRS (espectroscopia de fósforo-31) detecta el transporte de energía celular como la fosfocreatina y el fosfato inorgánico. La concentración relativa de estos metabolitos de fósforo revela la condición y suministro de la energía celular. Análisis cualitativo: Nos da información de las membranas de los metabolitos y transporte de los productos de descomposición o constituyentes de la membrana celular, como el fosfopodiester y fosfomonoester. Las principales regiones de examinación en 31P-MRS son: -Hígado -Tejido muscular -Corazón 20

21 LOS MÁS IMPORTANTES METABOLITOS DEL FÓSFORO: ADENOSINTRIFOSFATO (ATP): ATP es él más importante en el transporte de energía en todo el sistema del hígado, la suma de las concentraciones individuales de ATP y los productos de la hidrólisis ADP (Adenosin-di-fosfato) y AMP (adenosin-mono-fosfato), remanentes relativos y constantes de la fase del agua en las células del hígado. En el espectro del fósforo, los grupos alfa, beta y gamma del ATP son perfectamente visibles. FOSFOCREATINA (PCr): La fosfocreatina es el más importante almacenamiento molecular de la energía muscular. Este puede transferir energía de los grupos fosfatos. La concentración del PCr en el músculo es aproximadamente 5 veces más grande que en el ATP. La fosfocreatina es usada como referencia interna en la escala de CSI por estar como punto cero (0) en el espectro. El uso clásico de la 31P MRS es el examen de la energía de los tejidos musculares, bajo estrés, los valores de PCr decrecen y la concentración de Pi incrementa. Para varias patologías del músculo el examen del músculo en estrés revela típicas variaciones comparadas con pacientes sanos: - La absoluta concentración del metabolito - El valor del PH - La velocidad de recuperación del estrés FOSFOMONOESTER (PME), FOSFODIESTER (PDE): Suministra características de los componentes de la membrana celular. En los tumores la concentración de PME incrementa mientras que la concentración de PCr disminuye. FOSFATO INORGÁNICO: Es el encargado de determinar el valor del PH con relación a la PCr, así si el valor del PH decrece la posición de este en el espectro también decaerá. Para la espectroscopia de fósforo en hígado, corazón y músculo utilizamos una antena de polarización circular diferente a las utilizadas para la MR convencional, Esta examinación se puede realizar tanto con el paciente en prono como en supino 21

22 Cuando se estudia el espectro del fósforo sobre el músculo se puede realizar estudios estáticos o dinámicos. Los estudios estáticos recogen el espectro en reposo. Algunas veces mediante el análisis de los espectros en reposos ya podemos sacar algunas informaciones importantes tanto desde el punto fisiológico como patológico. Pero sin duda la información mas útil, se obtienen mediante los estudios dinámicos realizados mientras la persona permanece dentro del imán, con ergómetros específicamente diseñados para trabajar bajo campos magnéticos elevados. Estos estudios consisten en obtener el espectro P-31 en reposo como referencia y a continuación se recogen espectros consecutivos durante la ejecución de un determinado ejercicio y finalmente, durante el periodo de recuperación. Los ejercicios pueden planificarse de muy diversas formas, variando la carga, el tiempo, etc. Mediante la observación de las variaciones espectrales podemos tener una idea bastante completa de cómo han actuado las principales vías energéticas que intervienen en el trabajo muscular. Mediante estos estudios dinámicos puede seguirse tanto las variaciones metabólicas como la rapidez con que suceden los acontecimientos tanto durante el desarrollo del trabajo muscular como durante la recuperación. Los estudios dinámicos encuentran utilidad tanto para la población sana como para estudiar el comportamiento bajo diferentes patologías que intervienen en las vías metabólicas del trabajo muscular. El trabajo muscular se produce por la hidrólisis del ATP en ADP y Pi. 22

23 DISCUSIONES La RMN espectroscópica está hoy en día considerada como el método no invasivo que permite estudiar más adecuadamente el metabolismo de los seres vivos. Esta metodología puede determinar cualitativa y cuantitativamente una gran variedad de metabolitos en cada tejido, proporcionando una información extensa sobre su metabolismo. En base a este hecho, los espectros de 1H RMN de tumores cerebrales in vivo han servido de gran ayuda para determinar algunas de las características principales de los diversos tipos tumorales. Sin embargo, la escasa resolución de los espectros de 1H RMN obtenidos in vivo y las dificultades encontradas en la cuantificación de metabolitos, han limitado las aplicaciones diagnósticas de esta técnica en Neurooncología. Muchas de estas limitaciones se pueden superar si se obtienen extractos de biopsias de los tumores y se realiza un estudio in vitro. Estas condiciones permiten emplear un campo magnético más alto en los análisis, lo que mejora notablemente la sensibilidad y resolución de la técnica, permitiendo determinar cuantitativamente la concentración de los distintos metabolitos que aparecen en los espectros. La ERM ha sido utilizada en diferentes enfermedades neurológicas, entre las que podemos mencionar: infarto cerebral, hipoxia encefálica, tumores cerebrales primarios y metastásicos, esclerosis múltiple, hemorragia intracraneal, traumatismo craneoencefálico, enfermedades metabólicas, encefalopatía hepática, demencia, diabetes mellitus, epilepsia focal y trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia. Existen actualmente dos tipos de opiniones en relación a la utilidad de la ERM: la visión conservadora considera que la espectroscopia es un método en fase de investigación y que su valor clínico dependerá de su influencia en el tratamiento de los pacientes. La contraparte considera que la ERM tiene valor práctico evidente para el tratamiento de los enfermos neurológicos, además de que la consideran útil para evaluar la progresión de la enfermedad y la respuesta al tratamiento prescrito. A pesar de las distintas opiniones existe un acuerdo en común de que la ERM es una técnica en mejora continua que se considera bastante promisoria en la investigación no invasiva del metabolismo cerebral in vivo tanto en condiciones normales como en enfermedades neurológicas agudas y crónicas. 23

24 BIBLIOGRAFIA RELACIONADA Gili J: Centre diagnostic pedralbes. ISBN: x. D.L.: B Calderon R.: Espectroscopia por RM. Instituto Neurológico de Antioquia. Medellín 2002 Eleta F., San Román J., Ogresta F., Eleta M.: Imágenes moleculares: Morfología y función. Rev. Argent. Radiol. 2004; 68:201 Sauter R., Schneider M, Wicklow K., y Kolem H.: Métodos de espectroscopia por resonancia magnética utilizables clínicamente-estado actual. Electromédica,60, (1992) Organic Chemistry: Structure and Function. K. Peter, C. Vollhardt and N. E. Schore. 3ª Edición. Editorial: W. H. Freeman & Co., New York, (traducción al castellano de la 3ª ed., Editorial Omega, Barcelona). Organic Chemistry, Structure and Reactivity. S. Ege. 4ª Edición, (Traducción castellana Editorial Reverté, Barcelona, 1997). Castillo J., Martínez H., Toro O.: La espectroscopia por resonancia magnética en el cerebro humano. Rev Mex Neuroci 2002; 3(4): Myung KL, Chang HS. Systemic lupus erithematosus: brain MR imaging and single voxel hydrogen 1. MR spectroscopy. Radiology 2000;217: Arístides A, et al. Temporal lobe epilepsy qualitative reading of HMR spectroscopy images for pre surgical evaluation. Radiology 2001;218:

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