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Espectroscopía in vivo vs espectroscopía ex vivo. Ventajas
y limitaciones de cada una de ellas.
Poster no.:
S-1093
Congreso:
SERAM 2014
Tipo del póster: Presentación Electrónica Educativa
Autores:
1
2
2
I. I. García Bocanegra , E. Pardo Susacasa , G. Díaz Córdoba ,
2
2
M. C. Muñoz Hernández , C. Ventura Gómez , M. L. García
2 1
2
Martín ; Torremolinos/ES, Málaga/ES
Palabras clave:
Imagen molecular, Educación, , RM-Espectroscopía, RM,
Experimental, Patología
DOI:
10.1594/seram2014/S-1093
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Objetivo docente
El objetivo de esta comunicación es acercar la metabolómica por resonancia magnética
(espectroscopía de alta resolución) al radiólogo clínico y comparar la espectroscopía
in vivo (espectroscopía de RMN utilizadas en clínica) con las espectroscopía de alta
resolución ex vivo (espectroscopía de ángulo mágico, HR-MAS). Se analizan las
diferencias, ventajas y limitaciones de cada técnica en distintos tejidos.
La espectroscpía de alta resolución utilizada en los estudios de metabolómica es una
técnica en la que se emplean espectrómetros verticales de alto campo (11-23 Teslas)
para el análisis de biofluidos o de pequeñas piezas de tejido intacto (por ejemplo de
biopsias), obteniéndose resultados espectroscópicos de múltiples metabolitos que no
son visibles mediante espectroscopía in vivo. En esta comunicación nos centraremos en
la técnica que analiza tejido intacto, conocida como HR-MAS, del inglés high resolution
magic angle spinning. Fig.1
La espectroscopía por HR-MAS tiene mucha mayor sensibilidad y resolución que la
espectroscopía in vivo, lo que permite determinar el perfil metabólico o "metabolic
fingerprint", de una muestra te tejido de entre 5 y 20 mg. La resolución espectral es
comparable a la que se obtiene en espectroscopía de líquidos, a partir de extractos de
tejidos, con la gran ventaja de que no requiere manipulación alguna de la muestra y
por tanto el tejido puede recuperarse y reutilizarse posteriormente para diagnóstico en
anatomía patológica. Fig.2
Actualmente la espectroscopía ex vivo no está implantada en Hospitales, pero sus
resultados en investigación prometen un interesante futuro para el diagnóstico y manejo
de los pacientes.
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Fig. 2: La espectroscopía por HR-MAS ex vivo tiene gran sensibilidad y resolución
comparada con la espectroscopía in vivo, lo que permite determinar el perfil metabólico o
"metabolic fingerprint" de una muestra de tejido intacto, mientras que la espectroscopía
in vivo sólo permite resolver unos pocos metabolitos.
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Fig. 1: Espectrómetro vertical de alta resolución de 600 MHz (14T), con sonda de HRMAS (izquierda); rotor de zirconio e inserto en el que se coloca la pieza de tejido para
su ánlisis por HR-MAS (derecha).
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Revisión del tema
La espectroscopía in vivo que se realiza habitualmente en clínica es una técnica no
invasiva que puede aportar importante información para el diagnóstico y seguimiento de
distintas lesiones.
Las aplicaciones más conocidas actualmente de la espectroscopía in vivo son las que
1
se llevan a cabo mediante espectroscopía localizada de H, monovoxel o multivoxel
(imagen espectroscópica), en cerebro, próstata o mama. Existen otras modalidades,
31
13
como la espectroscoía de P ó C, pero son mucho menos frecuentes y sólo se llevan
a cabo en unos pocos centros especializados.
Sin ninguna duda, el uso clínico más extendido se circunscribe al sistema nervioso
central. Los principales metabolitos empleados en diagnóstico en el SNC son (Fig. 3):
NAA (N-acetil aspártico) - Marcador Neuronal. Su disminución refleja un
empobrecimiento neuroaxonal (típico en los tumores gliales)
mI(mioinositol) - Marcador Glial Su aumento refleja un aumento de la contribución
glial (en tumores gliales es indicativo de tumor bajo grado). Su disminución indica
desdiferenciación glial (tumores de alto grado)
Cho (Colina) - Metabolismo de Membrana. En Tumores es Indicador de Actividad
Proliferativa. Aumenta en procesos de desmielinización e inflamatorios
Cr (Creatina) - Marcador del Metabolismo Energético. Se encuentra típicamente
disminuida en tumores malignos (alto grado)
Lípidos móviles - Marcador de Malignidad (necrosis). No se suele hablar de
malignidad a menos que estén presentes. También aparecen con tratamiento
radioterápico (radionecrosis).
Lac (Lactato) - Marcador del Metabolismo Anaeróbico. Típico de tumores activos
frente a tumores quiescentes. También aparece en procesos hipóxicos/isquémicos e
infecciosos/inflamatorios.
En cuanto a la próstata, el número de metabolitos observados es menor:
Citrato - Marcador de tejido glandular prostático sin alteraciones. Disminuye
drásticamente en los adenocarcinomas.
Cho (Colina) - Marcador de actividad proliferativa. Aumenta en los adenocarcinomas.
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Poliaminas. Al igual que el citrato, su presencia es indicador de metabolismo glandular
normal y se encuentran disminuidas en los adenocarcionomas.
Por último, en la mama, dada la gran contribución de las señales de lípidos, que dificultan
la observación de la mayoría de los metabolitos in vivo, el único metabolito que se
utiliza para el diagnóstico tumoral es la colina, que se eleva de forma significativa en
los tumores.
La espectroscopía por HR-MAS ex vivo por su lado tiene la ventaja de tener una gran
sensibilidad y resolución espectral lo que permite la detección de múltiples metabolitos
no visibles por espectroscopía in vivo, por tanto, la especificidad diagnóstica es mucho
más alta. Así por ejemplo, la espectroscopía in vivo sólo permite resolver un pico en la
zona de los metabolitos derivados de colina, mientras que el HR-MAS permite separar
sus diferentes componentes: fosfocolina(PC) glicerofosfocolina(GPC) y colina (Cho).
Fig. 4 y Fig. 5.
Se realiza revisión bibliográfica de los resultados de la espectroscopía in vivo en
comparación con la espectroscopía de alta resolución ex vivo y de la aportación en
el diagnóstico de distintas patologías de ambas técnicas, en concreto en tres tipos
tumorales: cerebral, próstata y mama.
CEREBRAL
Espectroscopía invivo: La espectroscopía in vivo a nivel cerebral ha demostrado
su utilidad en la evaluación tumoral, para ello se han medido principalmente varios
metabolitos: NAA, Cho, lactato, Creatina y Mioinositol. Fig. 3
Los niveles de Cho aumetan en multitud de tumores, pero a nivel cerebral además sus
niveles son significativamente mas altos cuanto mayor grado presente el tumor, por tanto
son útiles para diferenciar gliomas de bajo, alto grado y patología benigna cerebral.
El NAA (ácido N-Acetil Aspártico) disminuye en aquellas patologías en la que existe
empobrecimiento neuroaxonal, como ocurre en los tumores gliales. (19)
Estos metabolitos se han utilizado para diferenciar gliomas de bajo grado con lesiones
isquémicas en personas jóvenes sin factores de riesgo para infarto cerebral donde el
diagnóstico por imagen de RMN resulta cuanto menos complicado, así, los gliomas de
bajo grado presentan picos altos de Cho (colina), ausencia de NAA (Nacetil aspartato)
y Lactato indetectable, mientras que los infartos presentan picos bajos de Cho, de NAA
y un aumento significativo del Lactato. EL Lactato se ha visto aumentado en gliomas de
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alto grado, pero estos no suelen presentar dificultad para su diagnóstico en la imagen.
(19)
Espectroscopía ex vivo:
El HR-MAS a nivel cerebral es capaz de cuantificar multitud de metabolitos que no son
visibles por espectroscopía convencional in vivo.
Martinez Bisbal y otros realizaron espectro HR-MAS de biopsias de gliomas de alto
grado, determinando 37 metabolitos. (12)
Por otro lado se ha demostrado que existe una buena correlación del diagnóstico in vivo
y ex vivo con la única salvedad de que en ex vivo aumentan metabolitos relacionados
con el metabolismo anaeróbico, lactato y alanina, debido al periodo de hipoxia que
experimentan las piezas de tejido hasta que son congeladas. (12)
En estudio publicado en 2009 se determinó que los distintos niveles de los componentes
del pico de colina total (tCho), GPC (glicerofosfocolina), PC (fosofocolina) y Cho (Colina
libre), y la relación entre estos, es diferente según se trate de gliomas de bajo o alto
grado. Así, en gliomas de bajo grado el componente que predomina es la GPC mientras
que en Gliomas de alto grado predomina la PC. (8) Fig. 5
Por otro lado parece existir correlación entre determinados metabolitos detectados por
HR-MAS y la gradación del tumor. Así el aumento del ratio PC/GPC se caracteriza con
formas severas de glioblastoma multiforme. Y un aumento del ratio de mioinositol/Cho
permite diferenciar la evolución clínica de distintos gliomas de bajo grado. (9)
También ha sido demostrada la utilidad de HR-MAS para el diagnóstico diferencial entre
agresividad de meningiomas, se determinó que los metabolitos glutamina y glutamato
que están relacionados con el metabolismo del glutatión están significativamente más
aumentados en meningiomas más agresivos y con mayor posibilidad por tanto de
recurrencia. (16)
PRÓSTATA
Espectroscopía in vivo
En la próstata la espectroscopía in vivo mediante RMN endorectal con técnica multivoxel
ha demostrado gran utilidad para el diagnóstico del cáncer de próstata. Las células
epiteliales prostáticas tienen la peculiaridad de producir gran cantidad de citrato en
condiciones normales, como consecuencia de una inhibición de la enzima aconitasa
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mediada por zinc. Sin embargo, cuando se produce tranformación tumoral, esta
inhibición se pierde y los niveles de citrato caen drásticamente (Fig. 6). Por otro lado,
como en otros procesos tumorales, la colina aumenta significativamente.
Esta técnica ha demostrado ser de gran utilidad en casos de PSA elevado para localizar
zonas de sospecha tumoral y así dirigir la dirigir la biopsia hacia una zona concreta (Fig.
7). Por otro lado, en casos de tratamiento radioterápico, la espectroscopía prostática
es de gran utilidad para el diagnóstico de recidiva local, ya que tras el tratamiento el
tejido prostático presenta una apariencia anodina y las técnicas de imagen resultan
poco informativas. Sin embargo, la espectroscopía permite observar el pico de colina en
aquellas zonas en las que hay recidiva. (5)
Espectroscopía ex vivo
La determinación de metabolitos ex vivo que no son resueltos mediante espectroscopía
in vivo han aportado información relevante en el cáncer de próstata. Así se ha
determinado que se puede diferenciar entre tejido maligno y no maligno utilizando los
ratios de los espectros de GPC (Glicerofosfocolina) + PC (fosfocolina) y Creatina.
Además se ha determinado que los derivados de colinas son mejores biomarcadores
de tumor que el propio citrato, especialmente en la próstata central, ya que el citrato
aparece alto en células epiteliales prostáticas y bajo en tumor, pero también aparece
bajo en estroma. Sin embargo las colinas aparecen altas sólo en tejido tumoral. (20)
Por otro lado se ha visto que la relación Citrato/Creatina se relaciona significativamente
con la agresividad tumoral. (20)
Por último, resulta interesante mencionar el trabajo de Asten et al. en el que se demuestra
que el tejido de biopsia prostático no se altera después de realizarse el análisis por HRMAS, por lo que puede ser utilizado para diagnóstico histológico.(1)
MAMA
Espectroscopía in vivo:
La elevación del pico de colina, al igual que en otros tipos de cáncer, se utiliza como
biomarcador de actividad tumoral, sin embargo hay que ser cauto con esta afirmación
ya que, según se ha mostrado en varias publicaciones, la elevación de colina puede
deberse también a otras patologías de carácter benigno, en concreto fibroadenomas,
adenomas tubulares y durante la lactancia (4,7,14).
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Por otro lado, la cuantificación de este metabolito mediante espectroscopía in vivo
ha demostrado su utilidad para determinar la respuesta a tratamiento antes de que
aparezca datos de respuesta clínica. Así, hay estudios que indican que a las 24 horas
del tratamiento con doburrobuxina, existen cambios significativos del pico de colina en
la lesión tumoral y que la disminución del pico a las 24 horas se asocia a una mejor
respuesta al tratamiento. (4,13)
Espectrocopía ex vivo:
Al igual que en otros tejidos la espectroscopía ex vivo permite el análisis de muchos
metabolitos no visibles mediante espectroscopía in vivo. Lo que plantea la posibilidad
de establecer un diagnóstico de agresividad tumoral basado en el perfil metabolico o
metaboloma. Esto resulta especialmente atractivo en el caso de la mama porque la
espectroscopía in vivo plantea grandes dificulatades por la gran abundancia de lípidos
en el tejido mamario, que dificultan enormemente su realización de forma rutinaria. Fig. 8
Se ha demostrado que existe un patrón metabolómico de cáncer de mama, caracterizado
fundamentalmente por aumento de Lactato y Glicina, y de PC con respecto a GPC.
Comparando el perfil metabolómico con parámetros clínicos, se ha demostrado que la
Glicina, Taurina y PC están más elevadas en tumores de mayor grado, y que la relación
PC/GPC está muy aumentada en tejido tumoral con respecto a sano. (18)
En otro estudio se detectó que niveles altos de glicina y lactato predecían
significativamente menor supervivencia a los 5 años en cánceres con RE (receptores
estrogénicos positivos), mientras que esta relación no se daba en pacientes con RE
negativos. Los resultados de predicción de supervivencia a los 5 años en mujeres con
cánceres RE positivos resultaron más robustos que la predicción realizada clínicamente.
(10)
En los modelos de mejor pronóstico (basal-like) la concentración de GPC es más alta que
la concentración de PC, y lo contrario ocurre en los luminal-like. (15, 11) La repercusión
de un posible paralelismo entre perfil metabólico y tipo genético supone un importante
campo para la metabolómica, ya que los estudios genotípicos de cáncer de mama tienen
un alto coste, su realización requiere de mucho tiempo y además la realización de estos
supone la destrucción de las muestras.
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Fig. 4: Espectro cerebral de 1H in vivo en el que se muestra el pico de colina
total (tCho) compuesto fundamentalmente por tres metabolitos, colina, fosfocolina y
glicerolfosfocolina, que no se pueden diferenciar in vivo.
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Fig. 3: Espectro monovoxel de 1H in vivo de tejido cerebral sano en el que se indican
los principales metabolitos que se pueden observar en este tipo de estudios.
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Fig. 5: Espectros de 1H HR-MAS (high resolution magic angle spinning) de biopsias
de tumores gliales en los que se muestra cómo la mayor resolución espectral permite
diferenciar los componentes indivudales que contribuyen del pico de colina total (tCho):
colina, fosfocolina y glicerofosfocolina. Las relaciones entre estos tres metabolitos
permiten diferenciar gliomas de bajo y alto grado.
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Fig. 6: Señal de citrato según se observa in vivo a 1.5 T y tabla de la concentración en
los diferentes tejidos.
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Fig. 7: Imagen espectroscópica (o espectroscopía multivoxel) de prostata in vivo. El
espectro correspondiente a la zona tumoral (rojo) muestra un aumento del pico de colina
y descenso de citrato en comparación con el espectro de una zona sana (verde). Se
muestra además el corte histológico en el que se confirma que la alteración del perfil
metabólico corresponde a un nódulo tumoral.
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Fig. 8: Espectro de 1H HR-MAS de una biopsia de cáncer de mama. A diferencia de la
espectroscopía in vivo que unicamente permite ver lípidos y colina, esta técnica permite
obtener el perfil metabólico completo de la biopsia.
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Conclusiones
La espectroscopía invivo aporta importante información metabólica para el diagnóstico
de distintas patologías, de forma no invasiva, no obstante, esta técnica presenta ciertas
limitaciones, como son la baja resolución espectral, es decir, el número de metabolitos
que se pueden identificar/cuantificar, lo que se traduce en una baja especificidad
diagnóstica.
La espectroscopía exvivo, sin embargo, posee una resolución espectral y sensibilidad
muy superior a las técnicas in vivo, lo que permite detectar un gran número de
metabolitos, y por tanto mejora enormemente su capacidad diagnóstica. Sin embargo,
no hay que olvidar que se trata de una técnica invasiva, ya que se basa en el análisis
de piezas de tejido (biopsias, piezas quirúrgicas…), y por tanto pierde su utilidad en
aquellas lesiones que resulta imposible biopsiar. En conclusión, cada técnica tiene su
valor añadido y sus limitaciones, y es el correcto uso de ellas y la combinación de las
mismas con otros parámetros diagnósticos, donde reside su potencial clínico.
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