La terapia Fotodinámica es una técnica biofotónica que busca alternativas a tratamientos clínicos tradicionales. El proceso involucra la utilización de un colorante con propiedades de fotosensibilizador, que se excita con luz de una longitud de onda específica y ocasiona la activación de vías metabólicas propias de las células que la llevan a la autodestrucción, sin la necesidad de compuestos agresivos y efectos secundarios inconvenientes.

Los procesos de muerte celular se desarrollan a partir de la interacción entre factores inocuos, basados en las propiedades químicas de compuestos colorantes y la luz visible, ofreciendo la oportunidad de su uso contra células de cáncer o microorganismos patógenos.

El desarrollo de la Terapia Fotodinámica involucra factores y conocimiento muy diversos, desde el descubrimiento y desarrollo de nuevos fotosensibilizadores, el diseño y la construcción de dispositivos optoelectrónicos para la fotoactivación, los ensayos y el análisis in vitro e in vivo de los efectos clínicos, hasta el estudio de los procesos celulares y moleculares implicados. Además, como variantes a la Terapia Fotodinámica, también se incluye el estudio de las aplicaciones en Fotodiagnóstico y la Terapia de Baja Densidad de Luz.

La microscopía óptica y la espectroscopía son técnicas críticas fundamentales para la investigación en las ciencias de la vida y la medicina. Para observar la gran mayoría de los microorganismos en el planeta se requiere del uso de un microscopio, y para especies macroscópicas, no es factible intentar comprender su biología y fisiología sin emplear microscopios para estudiar la organización de sus estructuras a nivel celular y subcelular. Desde que Antonie van Leeuwenhoek vio las células por primera vez en 1674, la historia de la microscopía ha estado marcada por mejoras tecnológicas paulatinas con respecto a la calidad de los componentes ópticos que como consecuencia han permitido profundizar cada vez más nuestro conocimiento sobre los procesos que dan vida. Las aplicaciones de la microscopía son tan diversas y los diseños de los microscopios son tan variados que el resumen presentado aquí pretende solamente presentar algunas de las tendencias más destacadas y recientes en la disciplina de la microscopía.

Una de las herramientas de la fotónica desarrollada y aplicada con mayor éxito al estudio de los sistemas biológicos es la pinza (o trampa) óptica, la cual es capaz de manipular materiales dieléctricos, células y macromoléculas a escala micro y nanométrica utilizando luz. En su geometría más sencilla, una pinza óptica está formada por un haz de láser enfocado por medio de un objetivo de microscopio de alta apertura numérica, hasta alcanzar el tamaño mínimo establecido por la difracción (~200 nm) [1]. Al interaccionar con el haz enfocado, partículas dieléctricas (que incluyen a las células), son atraídas hacia el punto focal del láser y confinadas en las tres dimensiones espaciales, resultando efectivamente atrapadas (Figura 1A). La capacidad de la luz para ejercer efectos mecánicos sobre objetos materiales es conocida desde finales del siglo XIX. Sin embargo, la invención del láser permitió la posibilidad de observar tales efectos, y es en la década de 1970-1980 cuando Arthur Ashkin realizó los primeros experimentos de manipulación de esferas micrométricas de látex en agua.

Una pinza óptica no sólo es capaz de manipular micropartículas, sino que además puede determinar los desplazamientos y las fuerzas experimentadas por estas mismas micropartículas. La detección de estos movimientos se logra haciendo un seguimiento de la posición del láser después de interaccionar con la partícula coloidal, de una forma similar a la utilizada en un microscopio de fuerza atómica. Cuando la partícula se mueve respecto al centro del láser, la trayectoria del haz cambia ligeramente, lo cual puede ser registrado por un fotodetector de posición (Figura 1B). A través de una calibración, se relaciona el voltaje producido por el fotodetector con el desplazamiento de la partícula relativo al centro del láser. Mediante esta técnica se logra obtener una gran sensibilidad en la detección de distancias (<1 nm) y en la aplicación de fuerzas (1-100 pN). Esta característica hace de las pinzas ópticas una técnica ideal para estudiar, de manera directa, problemas fundamentales en biología.

La comunidad científica internacional se ha esforzado por ofrecer técnicas no invasivas para el diagnóstico de enfermedades, las cuales basan su funcionamiento en la interacción de luz con los tejidos biológicos. Este tipo de técnicas usualmente requieren de un modelo físico de propagación de luz en medios turbios (medios que interactúan fuertemente con la luz) que sea capaz de proveer información acerca de propiedades físicas cuantificables del tejido.

Al iluminar material biológico, inhomogeneidades a escala microscópica provocan que la luz sea esparcida siguiendo trayectorias aleatorias, en lugar de trayectorias balísticas como podría suceder en un medio no esparcidor. Esta característica limita, por un lado, la profundidad de penetración de la luz, la cual es necesaria para la aplicación exitosa de algunas terapias ópticas tales como la terapia fotodinámica, y por otro lado, limita y en general obstaculiza la visualización de (i) estructuras internas del material biológico, tales como las diferentes estructuras del tejido biológico, vasos sanguíneos y lesiones, y (ii) la función metabólica, por ejemplo reduciendo la relación señal-ruido en la estimación de concentraciones de hemoglobina correspondientes a la actividad hemodinámica directamente, e indirectamente proxy de la actividad neural.

Para comprender mejor el proceso de esparcimiento de luz en tejidos biológicos y poder resolver algunas de las limitantes mencionadas anteriormente, se han desarrollado modelos estadísticos que buscan explicar el proceso de propagación de luz en medios biológicos; herramientas computacionales (como el método de Montecarlo) y diferentes técnicas experimentales, tales como conjugación de fase y herramientas de caracterización de las propiedades ópticas de tejido biológico, por mencionar algunas.

El monitoreo no-invasivo de flujo sanguíneo durante un tratamiento quirúrgico es deseable para proporcionar al cirujano o al investigador información sobre la eficacia del tratamiento, así como también es necesario conocer el efecto en el flujo sanguíneo que tiene la administración de algún fármaco, o bien el efecto de algún estimulo externo (por ejemplo eléctrico, o térmico por radiación láser), más aun, algunas enfermedades se han asociado directamente con cambios locales en flujo sanguíneo, tales como Parkinson, o el incremento de flujo sanguíneo alrededor de un tumor, etc.

Laser Speckle Imaging (LSI) [1,2] ha demostrado ser una técnica óptica no- invasiva eficiente en la medición de flujo sanguíneo, la cual ha sido implementada en diferentes áreas de la medicina. LSI conjuga una fácil implementación, una alta resolución espacial y temporal aun bajo costo comparado con sistemas similares. Existen algunos métodos alternativos para la medición de flujo sanguíneo, sin embargo, estos son en general costosos. Las imágenes por resonancia magnetica3,4 no son prácticas para uso rutinario y tiene una resolución temporal limitada, los sistemas de tomografía óptica Doppler requieren de un escaneo mecánico, limitándose a si su resolución espacial y temporal.

El fenómeno fotoacústico se refiere a la generación de perturbaciones mecánicas inducidas por pulsos de luz, ya sea láser o bien fuente continua modulada. Una vez generadas estas perturbaciones, se propagan a la velocidad del sonido, con estructura espectral en el ultrasonido, en concordancia con la física de los fenómenos de transporte. Existen varios métodos de detección de estas perturbaciones, siendo el uso de transductores la forma más recurrente, deflectometria, interferometría y otros métodos ópticos semejantes son los más frecuentes. La formación de imágenes tomográficas es la aplicación que ha hecho crecer significativamente la atención en el fenómeno fotoacústico. Actualmente esta modalidad está en proceso de prueba para su uso controlado en humanos.

Se distinguen dos ramas. (1) Imagenología Infrarroja Médica (IIRM): Termogarfía, ImagenologíaFototérmica, y (2) Terapia Fototérmica. Dos posibles formas del fenómeno son: (1) en su forma pasiva, la generación de calor, por efectos de absorción de luz. (2) Forma activa, de manera natural un objeto radia en el infrarrojo como consecuencia de establecer equilibrio termodinámico con sus alrededores. En ambos casos se exhibe diferencia de temperatura de emisión de radiación dentro del objeto de interés y/o contra los alrededores. Si bien el registro de esta radiación más frecuente se realiza en el rango del infrarrojo desde cerca de una micra de longitud de onda y hasta 14 micras de longitud de onda (también conocido como rango térmico), la emisión de radiación no necesariamente se limita a este rango.

La biofotónica está generando investigaciones multidisciplinarias en las que intervienen la física (óptica), la biología y medicina, la química, la ciencia de materiales y la ingeniería. En particular, el desarrollo de nuevos materiales o el uso de biomateriales es un tema muy activo de investigación en el área de biofotónica. Así por ejemplo, el desarrollo de nuevos materiales con propiedades ópticas diversas está motivado por la potencial implementación de bio-sensores; técnicas de ensayo para detección y cuantificación de diversos analitos de interés en medicina, ciencias ambientales, biología molecular; agentes de contraste para la generación de bio-imágenes para el estudio de dinámica celular y diagnóstico; implementación de técnicas de terapia basadas en la luz tales como terapia fotodinámica y terapia fototérmica. El uso de materiales en biofotónica no está restringido a materiales sintéticos, y parte de los esfuerzos de investigación están dedicados al empleo de biomoléculas en pruebas técnicas de ensayo, diagnóstico y terapia.

La cavitación es la formación, evolución y colapso de burbujas de vapor en líquidos. Una característica única de cavitación es el colapso violento de las burbujas dando lugar a la formación de ondas de choque. De hecho, el daño provocado por el colapso de las burbujas de cavitación en las hélices de los barcos y perdida de potencia motivó al ministerio de marina británico a crear una comisión especial instituida para investigar las causas de este daño mecánico. La comisión reportó que el daño era principalmente debido a “golpes hidráulicos” que las hélices sufrían debido a burbujas de cavitación colapsando [1]. Desde entonces se empezó a estudiar la cavitación de manera metódica tanto experimental como teórica.

A partir de esta breve revisión histórica, podríamos decir que cavitación es un fenómeno no deseable. Sin embargo, este fenómeno juega un papel importante tanto en la industria como en el campo de la biomedicina. El estudio de cavitación no solo involucra la formación y colapso de la burbuja, sino también las posibles aplicaciones de este fenómeno.

El estudio del ojo humano tiene una gran fascinación, ya que es uno de los órganos más versátiles desde un punto de vista funcional, pero al mismo tiempo uno de los más complicados del cuerpo humano. Los profesionales dedicados al estudio del ojo humano los podemos clasificar en grandes grupos atendiendo a su formación en el estudio de la visión, que son las siguientes:

1. Los médicos oftalmólogos. Son los profesionales encargados del estudio del ojo humano.

2. La fisiología del ojo. Rama de la medicina encargada de estudiar los mecanismos biológicos de la visión. Esta es una rama transversal, ya que la comprensión de los mecanismos de visión involucra, además de la fisiología y la anatomía, la instrumentación óptica; la fotoquímica de la percepción; la ciencia del color y la psicología.

3. La optometría, que es la disciplina que tiene el encargo evaluar la cantidad de vision de las personas así como del ajuste y adaptación de ayudas visuales. El objeto principal de la optometría es adaptar las ayudas visuales necesarias para la mejora de una calidad de vida. Adicionalmente, un optometrista se prepara para diagnosticar en su fase inicial cualquier problema que incide en los mecanismos de visión.

4. La ingeniería biomédica con especialización en visión. Un ingeniero o un científico que ha sido preparado en el conocimiento de la anatomía y fisiología de la visión, puede diseñar y construir los aparatos dedicados al diagnóstico; corrección; adaptación; estudio de materiales e investigación de nuevos sistemas relacionados con esta importante disciplina.

Los investigadores de la óptica visual buscan ampliar los conocimientos sobre el ojo humano, desarrollar nuevos instrumentos para el estudio del ojo y sus funciones y nuevos métodos para la detección de sus enfermedades.