Ultrasonidos para atravesar la barrera hematoencefálica

Científicos de la Universidad Politécnica de Valencia trabajan en un sistema que permita permeabilizar la barrera hematoencefálica para administrar medicamentos sin dañarla.

Enrique Mezquita. Valencia | 10/02/2016 12:53

Francisco Camarena, investigador y profesor de Ultrasonidos, Acústica y Física de la UPV. (Enrique Mezquita)

Patologías como tumores cerebrales, el Parkinson o el Alzheimer pueden ser difíciles de tratar porque la barrera hematoencefálica impide que lleguen los fármacos a las zonas afectadas. Investigadores del campus de Gandía de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV) y la de Columbia (Nueva York) trabajan en un sistema que permita permeabilizar la barrera con ultrasonidos, de forma que se puedan administrar los medicamentos sin perjudicarla.

Según Francisco Camarena, investigador y profesor de Ultrasonidos, Acústica y Física de la UPV, se trata del único sistema reversible, localizado y no invasivo que consigue abrir la barrera hematoencefálica sin dañarla. Y su enfoque se basa en esa capacidad: "En el torrente sanguíneo se introduce el fármaco que se quiere aplicar y, desde el exterior, se aplican los ultrasonidos a través del cráneo, de tal forma que donde se focalizan se abre temporalmente la barrera. Cuando la sangre llega a esa zona, se libera el medicamento y cuando se retira el ultrasonido, se vuelve a cerrar y se mantiene la protección".

Las pruebas en animales y humanos han sido muy exitosas y, de hecho, en noviembre de 2015 cinco pacientes con tumor cerebral se sometieron en Canadá a esta técnica con los resultados esperados, aunque aún faltan años para que el procedimiento pueda sustituir a las técnicas actuales.

Para Camarena, "el reto a corto plazo es conseguir controlar de forma adecuada en qué medida se abre la barrera hematoencefálica, cuáles son las características del mejor haz ultrasónico posible para conseguirlo, en qué grado se recupera la barrera hematoencefálica y cuánto tarda en recuperarse". También hay que conocer si existen efectos secundarios, como calentamiento en el cráneo, o zonas con demasiada presión en el interior del cerebro.

Un largo proceso
La investigación es fruto de la cooperación que inició Camarena con el equipo de Elisa Konofagou, de la Universidad de Columbia, en 2010. En Estados Unidos estaban desarrollando el transductor ultrasónico y el sistema de ingeniería biomédica que permite abrir la barrera hematoencefálica y el transporte de fármacos, mientras que en Gandía los esfuerzos se dirigieron a comprender la trayectoria de las ondas ultrasónicas a través de los distintos tejidos, para hacer posible que los fármacos se administren exactamente donde se requiere.

"El problema que encontraban en los experimentos en Estados Unidos es que los haces de ultrasonidos no se dirigían donde esperaban. Los ultrasonidos están sujetos a fenómenos físicos como la absorción, la reflexión, la refracción o la difracción, que afectan a su trayectoria y que varían según las condiciones externas y las propias condiciones del emisor de ultrasonidos", ha explicado.

El primero paso en la colaboración de los investigadores de la UPV consistió en el desarrollo de una técnica de simulación por ordenador de la trayectoria que seguiría el haz de ultrasonidos en su camino a través del cráneo hacia la zona del cerebro que se quería tratar.

Esta técnica, llevada a cabo por Noé Jiménez, máster en Ingeniería Acústica y doctora por la UPV, en colaboración con el profesor Javier Redondo, consiste en ir resolviendo la ecuación de ondas (que rigen su comportamiento) en pasos muy pequeños, de forma que las irregularidades del cráneo y demás tejidos puedan ir siendo incorporadas de forma sencilla.

La técnica, Finite-Difference Time-Domain (FDTD), ha sido utilizada para resolver problemas de acústica en general y los científicos consiguieron adaptarla a los ultrasonidos.

Lentes acústicas
Tras el desarrollo de la técnica de simulación, el equipo se ha centrado en la resolución de aspectos concretos, como determinar la influencia del aumento de energía y del ángulo de incidencia del foco en la trayectoria del haz de ultrasonidos. También se está investigando cómo captura el cráneo la energía ultrasónica y qué problemas se derivan de ello, como el calentamiento de la estructura ósea.

Mientras se profundiza en estas líneas, los investigadores trabajan actualmente en superar las interferencias en las ondas de ultrasonidos que provocan la heterogeneidad del cráneo y el cerebro. Para ello, están progresando en la creación de unas lentes acústicas, realizadas a partir de cristales de sonido, que servirían para corregir la trayectoria del haz de ultrasonidos y aumentar así la efectividad de la administración del tratamiento. Una vez finalizado el diseño, estas lentes podrían construirse con una impresora 3D.