La espectrometría de masas llega a los quirófanos

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Elisa Poderós Jorge »

La espectrometría de masas es una técnica analítica ampliamente utilizada en una gran variedad de aplicaciones. Tiene sus orígenes en el descubrimiento del electrón y su relación masa/carga realizado por J.J Thomson en 1897 y desde entonces no ha dejado de evolucionar.


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Imagen 1. Tubo de descarga de gas expuesto en el Cavendish Museum (UK) utilizado por J.J Thomson en su descubrimiento del electrón y su relación masa/carga a través del estudio de los rayos catódicos. A partir de este momento se sentaron las bases de la espectrometría de masas, descubriendo la posibilidad de separar átomos de diferente masa cuando son sometidos a un campo magnético. [1]


Recordemos que, la espectrometría de masas se basa en la generación de iones cargados en fase gaseosa a través de una fuente de iones para después ser identificados y cuantificados según su relación masa-carga (m/z). Con ello obtendremos un espectro de masas en dos dimensiones donde tendremos enfrentadas la abundancia relativa de cada ion y un parámetro muy característico de la espectrometría de masas, la relación masa/carga (m/z). [1]

Algunos campos en los que está presente de forma rutinaria la espectrometría de masas son el análisis medioambiental, la industria alimentaria, la química forense, la pretoquímica, la industria farmacéutica y en el campo bioquímico apoyando a las áreas de proteómica o metabolómica e incluso en el ámbito sanitario, por ejemplo, en la identificación de microorganismos en los laboratorios de microbiología a través de su perfil proteico.

La espectrometría de masas también puede ser acoplada a otras técnicas analíticas separativas como la cromatografía liquida de alta resolución o la cromatografía de gases. Todo ello la convierten en una técnica especialmente versátil.

En los espectrómetros de masas, podemos diferenciar tres partes principales: la fuente de iones, el analizador de masas y el detector. Y, como es de esperar, existen varios tipos:

En cuanto a la forma en la que los iones son generados, existen muchos tipos, pero los más relevantes actualmente son la Ionización por Electrospray (ESI), la Ionización Química a Presión Atmosférica (APCI) y la Foto-ionización a Presión Atmosférica (APPI), siendo estos métodos de ionización calificados como “blandos” ya que aportan poca energía y producen menos fragmentación en las moléculas, lo que puede ser una ventaja para la identificación inequívoca de un compuesto. Por otro lado, la generación de iones a través de Impacto Electrónico (EI) aporta mucha energía y producen una alta fragmentación, que nos proporciona información estructural de la molécula.

Recientemente, se ha desarrollado una técnica que permite ionizar las moléculas por desorción en una matriz sólida mediante un láser pulsado (Ionización por Desorción Asistida por Matriz o MALDI por sus siglas en inglés), esta técnica permite la ionización de moléculas no volátiles y previene la degradación de moléculas termolábiles, siendo extremadamente útil en el caso de análisis de proteínas y moléculas biológicas. Por supuesto, no son las únicas fuentes de ionización existentes pero sí, las más ampliamente utilizadas.

Una vez los iones generados de la muestra han sido formados, estos son conducidos al llamado, analizador de masas. El analizador de masas puede ser del tipo cuadrupolo (Q), tiempo de vuelo (TOF), de trampa iónica (IT) entre otros. Cuando los iones llegan al detector normalmente se encuentran con un multiplicador de electrones donde se producirá su amplificación y por lo tanto la de la señal mediante un efecto cascada a través de una serie de dinodos. [2]


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En los últimos años la espectrometría de masas ha sido la protagonista de algunos titulares debido a un reciente avance de esta técnica que aporta un nuevo paradigma en el campo quirúrgico.

Hasta el momento la técnica que se encuentra en la mayoría de nuestros hospitales para el análisis de moléculas bio-orgánicas como lípidos, proteínas o ácidos nucleicos es la espectrometría de ionización por láser asistida por matriz acoplada al analizador de masas de tiempo de vuelo (MALDI-TOF por sus siglas en ingles). Como se ha comentado anteriormente, esta técnica es especialmente útil para moléculas termolábiles y no volátiles, pero como inconveniente necesita de un proceso de preparativa de muestra.

En el año 2009, Zoltan Takats, desarrolló una nueva fuente de ionización llamada Rapid Evaporative Ionization Mass Spectrometry (REIMS), a través de un novedoso instrumento llamado intelligent knife (iKnife), que no es más que un electrobisturí ya utilizado ampliamente en cirugía, acoplado a un espectrómetro de masas, normalmente con el analizador de tiempo de vuelo (TOF por sus siglas en ingles).


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Imagen 2. El profesor  Zoltan Takats presentando el Intelligent Knife (iKnife) en el National Institute of Health Research (NIHR) en 2016 [2].

 

 

 

 


El mecanismo fundamental de un electrobisturí es el siguiente: mediante la aplicación de una corriente eléctrica secciona el tejido que se cauteriza instantáneamente, de él se desprende vapor que no es más que moléculas biológicas en fase gaseosa y que, en el dispositivo iKnife son succionadas hacia el interior a través de un tubo de Venturi. Estas moléculas entran en el espectrómetro de masas que se encuentra acoplado (etapa 1), son ionizadas mediante el choque con una superficie caliente (etapa 2), las moléculas neutras que no han sido ionizadas en la fase anterior son eliminadas (etapa 3) y solo los iones cargados llegan al detector después de ser acelerados por un campo magnético (etapa 4). Los distintos iones formados que llegan adquieren distinta velocidad llegando al detector a diferentes tiempos por lo que es posible separarlos y caracterizarlos. Esta tecnología ha sido adquirida y comercializada por la compañía Waters, a continuación se muestra un esquema del equipo desarrollado por esta compañía.


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Imagen 3. Esquema de un equipo de Espectrometría de masas REIMS-QTOF comercializado por Waters [3]

 

 

 

 


Esta técnica permite la caracterización a tiempo real y en pocos segundos, ya que no necesita ningún tratamiento adicional de muestra, de cualquier tejido siendo capaz de discriminar tipos histológicos de tejido sano de los patológicos, ya que se han encontrado diferencias en la composición y distribución de los fosfolípidos de células sanas y malignas e incluso diferencias entre distintos tipos de tumores. Para ello es necesario la creación previa de una librería de espectros de masas donde se hallen indexados espectros obtenidos de tejidos sanos y de tejido patológico. La identificación se realiza por comparación de los espectros de la librería frente al espectro obtenido de la muestra del paciente [3].

El principal avance que supone esta técnica es la posibilidad de realizar resecciones de tejido tumoral de una forma precisa y exacta, siendo el espectrómetro de masas el que, a tiempo real y en el propio quirófano, nos indica donde se encuentran los límites del tejido tumoral. Hasta el momento el análisis de las muestras extraídas se realiza en la fase post-operativa o en casos de incertidumbre es enviado al laboratorio de patología para ser analizado mientras el paciente está en el quirófano, pero estas técnicas consumen mucho tiempo y alargan el tiempo de la cirugía en la cual el paciente se encuentra bajo la anestesia de forma innecesaria.

En conclusión, aunque esta técnica está en pleno desarrollo y optimización para llegar a ser una técnica de rutina en todos los hospitales, presenta múltiples aplicaciones en un diverso número de campos científicos como el análisis de alimentos, la identificación inequívoca de microorganismos [4] y las ciencias ómicas [5] además de la ya comentada identificación intra-operatoria de los tejidos humanos [3].


Referencias:

[1] Gross, J. (2010). Mass spectrometry. Berlin: Springer.

[2] Hoffmann, E. and Stroobant, V. (2007). Mass spectrometry. 1st ed. Chichester, West Sussex, England: J. Wiley.

[3] Balog, J.et al. (2013). Intraoperative Tissue Identification Using Rapid Evaporative Ionization Mass Spectrometry. Scie Translational Medicine, 5(194), pp.194ra93-194ra93.

[4] Cameron, S. J. S.et al. (2016).Rapid Evaporative Ionisation Mass Spectrometry (REIMS) Provides Accurate Direct from Culture Species Identification within the Genus Candida. Scientific Reports.6, 36788; doi: 10.1038/srep36788

[5] Blanksby, S. and Mitchell, T. (2010). Advances in Mass Spectrometry for Lipidomics. Annual Review of Analytical Chemistry, 3(1), pp.433-465.

Referencia Imágenes:

[1] Phy.cam.ac.uk. (2017). The Cavendish Museum — Department of Physics. [online] Disponible en: http://www.phy.cam.ac.uk/outreach/museum

[2] White, E. (2017). iKnife Showcased at NIHR 10 Year Celebration. [online] Www3.imperial.ac.uk. Disponible en: http://www3.imperial.ac.uk/

[3] Waters.com. (2017). REIMS Research System with iKnife Sampling Device : Waters. [online] Disponible en: http://www.waters.com/waters/es_ES/REIMS-Research-System-with-iKnife-Sampling-Device/nav.htm?cid=134846529&locale=es_ES

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