Una vez sentadas las bases teóricas sobre los mecanismos de relajación que existen en RM es momento de centrarse en los agentes de contraste. En estas nuevas entradas hablaremos de los dos tipos de contraste que se emplean en Imagen por Resonancia Magnética.
Prácticamente se pueden clasificar por el tipo de contraste que dan: o contraste positivo o contraste negativo. ¿Con esto a qué nos referimos?. El contraste positivo es el que produce un aumento en la intensidad de la señal (hiperintensa, más brillante) y el negativo es el que produce imágenes más oscuras (hipointensas).
Si bien se clasifican a groso modo de esta forma porque al fin y al cabo es lo que pretendemos realzar, el uso de un agente de contraste (AC) en particular, vendrá determinado por su comportamiento frente al campo magnético.
En la gran mayoría de los estudios de imagen (40%) se emplea el Gadolinio (Gd III) en forma de quelatos, podríamos decir que hasta el momento es el compuesto más utilizado sobre todo en neuroimagen (sobre un 60% de los casos) , pero se ha visto que se queda retenido en el organismo durante un largo periodo de tiempo y por eso genera toxicidad.
Por este motivo, se están empleando las denominadas SPION: Nanopartículas de Oxido de Hierro Superparamagnéticas que lo que buscan es sustituir a los compuestos de Gd (III).
Estas partículas se diferencian de las anteriores porque en función de su síntesis se podrían establecer unas características bastantes óptimas para su uso: buena biocompatibilidad, una fácil metabolización, un gran aumento del momento magnético jugando con el tamaño de la partícula y su composición y una funcionalización y especificidad en su superficie. Su comercialización aún se está valorando.
Existen otros compuestos, como el Manganeso que generan también contraste positivo, pero los principales son los anteriores.
Como ya comentamos, los AC se emplean para mejorar las imágenes de RM tanto en órganos como en tejidos cambiando los tiempos de relajación de los protones del agua, modificando la magnitud de la señal en aquellas regiones donde se ha quedado retenido el agente de contraste.
El AC disminuye las velocidades de todos los procesos de relajación; sin embargo, cada sustancia influye principalmente en uno de ellos. Los AC que acortan los tiempos de relajación en la componente transversal son los denominados agentes T1 o contrastes positivos; mientras que los T2 o negativos reducen el tiempo de relajación en la componente transversal
Para evaluar un agente de contraste se tienen que estudiar dos parámetros: la relajatividad longitudinal (r1) o relajatividad transversal (r2). Así el valor de r1 está relacionando con el incremento de la señal que es capaz de producir el AC mientras que la relación r2/r1 se usa para definir como puede ajustarse la categoría del agente de contraste, o positivo (T1) o negativo (T2). Generalmente, aquellos contrastes que tienen una baja relación r2/r1 se clasifican como agentes T2.
Agentes de contraste T1
Los complejos de Gadolinio (Gd (III)), Manganeso (Mn(II)) y Hierro (Fe(III)) se clasifican como agentes de contraste paramagnéticos T1.
El Gd (III) tiene 7 e- desapareados en el orbital 4f, mientras que el Mn (II) y el Fe (III) tiene 5 en la capa d. Sin embargo, todos presentan altos momentos magnéticos, largos tiempos de relajación longitudinal (~10-8 s) pero no presentan magnetización en ausencia de un campo magnético externo. Hay alguna transición con los electrones desapareados en los lantánidos pero no son agentes de contraste eficientes, porque la relajación spin electrón del metal necesita coincidir con la frecuencia Larmor de los protones.
El principal problema asociado con estos iones paramagnéticos es que en su forma nativa (iónica) son tóxicos. El Gd (III) libre, es muy tóxico y tiene que ser administrado en una forma acomplejada (más estable) para prevenir la liberación del ion libre in vivo. En la figura que se muestra a continuación se quiere representar un esquema de como actuaría el proceso. El Gd (III) se administra quelado para que sus electrones desapareados estén formando un enlace estable con la molécula que forma el quelato, solo se queda una posición activa, esta es la posición que intercambia con los protones del agua (del tejido, o liquido circulante) y la que produce un contraste en presencia de un campo magnético.
En la clínica lo que se emplea para usar el gadolinio son compuestos (quelatos) cuyos ligandos son estructuras tipo polyaminopolycarboxilatos donde presentan nueve sitios de coordinación para su intercambio con el agua.
Estos agentes de contraste (complejos de Gd(III)), se administran bien por vía oral o vía intravenosa y pueden dividirse en tres grupos diferentes: aquellos que actúan como agentes de contraste sanguíneo (blood pool), de fluido extracelular o agentes de contraste específicos de tejido.
Los primeros se administran para hacer imagen de venas y arterias mediante una técnica llamada angiografia de RM. En el caso del segundo grupo como tienen un bajo peso molecular primero viajan al corazón y de ahí, hacia el medio intravascular y celular.
En la siguiente tabla se muestran los agentes de contraste más empleados:
Para reducir la toxicidad de los iones metálicos libres y tener unos agentes de contraste que puedan atravesar la barrera hematoencefálica las investigaciones en este campo se están centrando en desarrollar nanoestructuras. La principal ventaja de emplear nanopartículas paramagnéticas es que se puede manipular el tamaño y la forma de éstas.
La síntesis de estos nuevos compuestos se centra en desarrollar nanopartículas que formen materiales nanoestructurados (Gd2O3, Mn3O4, Dy2O, MnO) incorporando los iones paramagnéticos y complejos de coordinación con lantánidos funcionalizados.
Las nanopartículas de hierro son los compuestos inorgánicos más utilizados en nanomedicina y algunos de ellos sí que se emplean en imagen por Resonancia Magnética. Al contrario que los contrastes de Gd, las partículas de óxido de hierro producen un contraste negativo, serían agentes T2. Estos tipos de contrastes producen un ruido de fondo y una baja resolución, de ahí que la síntesis se dirija al desarrollo de nanopartículas de óxido de hierro ultrapequeñas (USIO del inglés ultrasmall iron oxide nanoparticules) y filamentos magnéticos. El contraste T1 de las USIO y de los filamentos está influenciado por un aumento en su superficie, por sus efectos magnéticos en su superficie.
Adicionalmente, cuando las NPs son demasiado pequeñas, su magnetización puede ser volteada usando energía térmica. Bajo esta condición, su comportamiento es paramagnético.
CONCLUSIÓN
Mediante la administración de agentes de contraste podemos mejorar el contraste en los tejidos. No es que sea siempre necesaria su administración en todos los estudios de imagen pero si que nos puede ayudar a diagnosticar ciertas patologías cuyo contraste entre tejido sano y enfermo no esté muy definido. El contraste más ampliamente utilizado en clínica son los empleados con Gadolinio pero se ha visto que produce toxicidad por lo que el mundo de la síntesis en AC para RM se centra en sintetizar compuestos que mejoren la calidad de la imagen produciendo una buena relajatividad, baja toxicidad y buena biodistribución. El presente y futuro se centrará en la síntesis de compuestos diseñados específicamente para órganos diana.
AUTOR
Marina Benito Vicente.
Responsable del Servicio de Resonancia Magnética de Investigacion
Hospital Nacional de Parapléjicos.
Toledo, España.
Referencias
- Caspani, S.; Magalhães, R.; Araújo, J.P.; Sousa, C.T. Magnetic Nanomaterials as Contrast Agents for MRI. Materials 2020, 13, 2586. https://doi.org/10.3390/ma13112586
- Haroon Ur Rashid, Marco Antonio Utrera Martines, Juliana Jorge, Paula Martin de Moraes, Muhammad Naveed Umar, Kamin Khan, Hanif Ur Rehman, Cyclen-based Gd3+ complexes as MRI contrast agents: Relaxivity enhancement and ligand design, Bioorganic & Medicinal Chemistry,Volume 24, Issue 22, 2016, Pages 5663-5684, ISSN 0968-0896,https://doi.org/10.1016/j.bmc.2016.09.069.
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