Electrodinámica computacional predice el riesgo de cáncer

Un estudio nuevo describe una técnica para detectar alteraciones macromoleculares a nivel celular que se pueden usar para predecir y cuantificar el riesgo de cáncer en etapas extremadamente tempranas.

Desarrollado en la Universidad Northwestern (NU; Chicago, IL, EUA) y el Laboratorio Nacional Argonne (ANL; Lemont, IL, EUA), el método nuevo se basa en una técnica de microscopía óptica de alto rendimiento y el sistema Mira de supercomputación del ANL. Usando la herramienta de simulación de software Angora de código abierto, la técnica de electrodinámica computacional convierte la espectroscopia de onda parcial estática (PWS, un análisis de la actividad intracelular basado en instantáneas individuales), en un PWS dinámico, que transmite información sobre los procesos internos de una célula al observar la evolución de esa célula a través del tiempo.

Al emplear PWS dinámico, los investigadores pudieron medir la estructura intracelular a nanoescala y la dinámica macromolecular de las células vivas, sensibles a cambios tan pequeños como 20 nanómetros, y con una resolución temporal de milisegundos. Con los cálculos del dominio de tiempo de diferencia finita Angora (FDTD), los investigadores exploraron la estructura de la cromatina de orden superior y los cambios dinámicos atribuibles a la fijación celular, la diferenciación de células madre y la irradiación ultravioleta (UV). Descubrieron un nuevo fenómeno llamado paroxismo celular, una explosión sincrónica, casi instantánea, de movimiento intracelular que ocurre temprano en el proceso de muerte celular inducida por los rayos UV.

Los investigadores sugieren que la técnica se podría usar para estudiar el efecto de campo, que postula que la detección del cáncer se puede lograr analizando adecuadamente el tejido aparentemente normal ubicado a cierta distancia de las lesiones afectadas, como un hisopo bucal para identificar el cáncer de pulmón o una prueba de Papanicolaou para detectar cáncer de ovario y de cuello uterino. PWS podría determinar el grado de aleatoriedad de las fluctuaciones nanométricas de densidad dentro de la célula, lo que a su vez se podría correlacionar con la presencia de un cáncer más profundo en el cuerpo cuyo “campo” incluye la célula bajo análisis. Un estudio que describe el método PWS se publicó en la edición de abril de 2019 de la revista Nature Communications.

“Resolver rigurosamente las ecuaciones de Maxwell en vóxeles de tamaño nanométrico permite a Angora crear píxeles a todo color en el plano de la imagen. Estos píxeles pueden ser analizados para el contenido espectral”, explicó el profesor Allen Taflove, PhD, de la NU. “Después de optimizar Angora para Mira, hemos podido resolver más de un billón de componentes de campo electromagnético vectorial, lo que creemos que es único entre dicho software. Además, al distinguir entre las fluctuaciones de 20 nanómetros y las fluctuaciones de 50 nanómetros, Angora supera con creces las capacidades de los microscopios convencionales “.

“La combinación de nuestros estudios computacionales experimentales y de Angora nos ha dado la confianza de que el PWS dinámico proporciona los medios para obtener información a escala nanométrica y resuelta en milisegundos dentro de las células vivas sin la necesidad de ninguna coloración”, concluyó el profesor Taflove. “Las impresionantes capacidades de resolución espacial-temporal del PWS dinámico abren la puerta a exámenes de detección de cáncer en etapa temprana de alta fidelidad y alto rendimiento, y posiblemente incluso a nuevas terapias contra el cáncer”.

La espectroscopia, principalmente en el espectro electromagnético, es una herramienta exploratoria fundamental en los campos de la física, la química, la biología y la astronomía, que permite investigar la composición, la estructura física y la estructura electrónica de la materia a escala atómica, molecular y macro, e incluso a distancias astronómicas.

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Universidad Northwestern
Laboratorio Nacional Argonne