Es un problema pediátrico perenne: más de 80 por ciento de los niños tendrán al menos una infección de oído al cumplir tres años.
Más allá del dolor y la irritabilidad que una infección de oído puede provocar (tanto para los niños como para sus padres), las infecciones recurrentes o no tratadas pueden provocar pérdida de audición, lo que puede afectar el desarrollo del habla y el lenguaje. Con casi 20 millones de casos estimados de infecciones agudas del oído medio cada año en los Estados Unidos, el costo anual Se estima que el gasto asociado con esta afección supera los 4.000 millones de dólares.
“Este problema de las infecciones crónicas del oído en los niños es una miseria universalmente entendida”, dijo el investigador financiado por NIBIB, Stephen Boppart, MD, Ph.D., Cátedra Distinguida Grainger de Ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. “Cuando hablamos con los padres, casi todos se identifican con este problema, porque es muy frecuente”.
Boppart, quien también es decano ejecutivo asociado y director de diversidad de la Facultad de Medicina Carle Illinois y recibió varias subvenciones del NIBIB, ha pasado más de una década desarrollando nuevas formas de diagnosticar, tratar y monitorear las infecciones del oído medio. ¿Su enfoque? Encontrar formas de detectar y erradicar biopelículas.
“Este proyecto destaca el poder transformador de la financiación en las primeras etapas de las tecnologías de imágenes biomédicas”, dijo Behrouz Shabestari, Ph.D., director de los Centros Nacionales de Tecnología NIBIB. “Al apoyar investigaciones prometedoras en sus inicios, NIBIB puede ayudar a facilitar la realización de ideas novedosas en avances traslacionales y que cambien la práctica”.
Una biopelícula es una comunidad de microorganismos, que generalmente incluyen bacterias, que se han adherido a una superficie húmeda y se han establecido allí. Los organismos dentro de la biopelícula secretan compuestos (como polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos) en su entorno, que forman una matriz protectora y permiten que la biopelícula crezca. Las biopelículas pueden vivir en cosas como catéteres, lentes de contacto, implantes u otros objetos que tienen contacto con nuestros cuerpos. Pero las biopelículas también se producen naturalmente dentro de nosotros: recubren nuestro tracto intestinal y forman placa en nuestros dientes. También pueden crecer detrás de nuestros tímpanos.
“Las biopelículas pueden formarse en nuestros oídos después de infecciones recurrentes”, explicó Boppart. “La estructura que rodea la biopelícula puede proteger a las bacterias de los antibióticos y, con el tiempo, las bacterias pueden desarrollar resistencia a estos medicamentos. Esto es de gran preocupación para el tratamiento de futuras infecciones”.
Más allá de los antibióticos, la intervención quirúrgica (en la que se colocan tubos de drenaje en el tímpano) es un tratamiento común para las infecciones crónicas del oído. La investigación sugiere que actualmente la cirugía puede ser el tratamiento óptimo para las infecciones mediadas por biopelículas. Sin embargo, los médicos aún no cuentan con las herramientas para ver si se ha desarrollado una biopelícula en el oído medio, ya que esta cavidad se encuentra más allá del tímpano. Una de las primeras innovaciones de Boppart fue adaptar una técnica de imágenes para permitir a los médicos visualizar esta área en gran medida inaccesible.
Desarrollando una herramienta de diagnóstico para la detección de biopelículas
“La herramienta actual que se utiliza para diagnosticar una infección de oído es un otoscopio estándar, que es básicamente una lupa con una fuente de luz”, explicó Boppart. “Debido a que el médico no puede ver mucho más allá del tímpano, su diagnóstico se basa en la interpretación subjetiva de si hay líquido allí o no. Esto puede llevar al uso innecesario de antibióticos o prolongar el tiempo hasta la cirugía necesaria”, dijo. Es importante destacar que los otoscopios tampoco pueden detectar si hay una biopelícula presente.
Aquí es donde Boppart ve entrar en juego la tomografía de coherencia óptica (OCT). La OCT es una técnica de imágenes no invasiva análoga a la ecografía, pero en lugar de utilizar ondas sonoras y sus reflejos para visualizar los tejidos dentro del cuerpo, los investigadores utilizan luz infrarroja cercana. Con esta técnica, un médico puede obtener imágenes más allá del tímpano y ver si se ha acumulado líquido en la cavidad del oído medio o si se ha desarrollado una biopelícula.
En 2012, Boppart y sus colegas publicaron un estudio en PNAS mostrando que la OCT podría usarse para determinar si había líquido y/o biopelículas presentes en la cavidad del oído medio entre pacientes con infecciones crónicas del oído. Si bien el sistema inicial era algo portátil, todavía ocupaba una cantidad considerable de espacio. Ahora ha perfeccionado y adaptado esta tecnología, y todo el sistema puede caber dentro de un maletín.
en esto sistemapublicado recientemente en Biosensoresse utiliza una pequeña sonda portátil para administrar la luz y recoger los reflejos asociados, que se utilizan para generar imágenes transversales del tímpano y la cavidad del oído medio. Esto permite al médico visualizar si hay líquido en el oído medio o si hay una biopelícula detrás del tímpano. Interpretar estas imágenes para hacer un diagnóstico preciso tradicionalmente requeriría experiencia y formación, pero Boppart y sus colegas han dado el siguiente paso: han incorporado una plataforma de aprendizaje automático en tiempo real a su sistema.
“Siempre que el usuario pueda apuntar la sonda al lugar correcto, el algoritmo de aprendizaje automático puede detectar si hay líquido o una biopelícula en el oído medio”, explicó Boppart. Señaló que este sistema tiene el potencial de mejorar la precisión del diagnóstico de infecciones de oído, pero más allá de eso, este trabajo inicial implica que usuarios con distintos niveles de experiencia pueden realizar un diagnóstico preciso.
“En este momento, los médicos están limitados porque no tienen las herramientas adecuadas para ver la infección más allá del tímpano”, explicó Boppart. “Y eso es lo que realmente les estamos brindando: una herramienta para ver más sobre la enfermedad y, a partir de eso, tomar mejores decisiones en el manejo y el tratamiento”.
Un nuevo tipo de tratamiento para infecciones mediadas por biopelículas
La OCT puede permitir al médico determinar si hay o no una biopelícula en el oído medio. Si es así, es posible que opten por la cirugía en lugar de más antibióticos como tratamiento. Si bien esta intervención quirúrgica es generalmente segura, el procedimiento requiere anestesia general y no está exento de riesgos.
Pero, ¿qué pasaría si hubiera una manera de destruir la biopelícula (y erradicar la infección del oído) que no requiriera cirugía? Boppart y su equipo están investigando un tratamiento que se parece un poco a algo que se escucha en un episodio de Star Trek: una matriz de chorros de microplasma.
En este enfoque, se colocan pequeños electrodos en una matriz miniaturizada impresa en 3D que se llena con un gas inerte. Cuando se aplica una corriente a los electrodos, el voltaje ioniza el gas para producir radicales libres, que se sabe que son bactericidas. Estos radicales libres pueden difundirse a través del tímpano hasta la cavidad del oído medio, donde pueden matar las bacterias y destruir la biopelícula.
Estos microplasmas fríos se están investigando en medicina para una variedad de aplicaciones, incluidos tratamientos dentales y cuidado de heridas, explicó Boppart. “Esta nueva aplicación tiene el potencial de revolucionar el tratamiento de las infecciones de oído y reducir la cirugía en la población pediátrica”, afirmó.
Boppart publicó recientemente un estudio de prueba de concepto que evalúa este conjunto de chorros de microplasma en el Naturaleza diario, npj Biopelículas y microbiomas. Aquí probaron si el microplasma podría afectar Pseudomonas aeruginosauna cepa bacteriana común asociada con infecciones del oído medio, utilizando un modelo animal y una membrana artificial que imita el tímpano. En estos experimentos, encontraron que el tratamiento con microplasma podría inactivar P. aeruginosa.
“Construimos un prototipo de nuestro conjunto de chorros de microplasma, que podemos conectar directamente a un otoscopio, reemplazando la punta desechable”, explicó Boppart. “Pero como el tratamiento con microplasma podría tardar hasta 20 minutos, una plataforma de administración alternativa podría ser un auricular (que los niños ya están acostumbrados a usar) y podríamos aumentar el tratamiento con microplasma con música o audio de un vídeo. Ése es un futuro potencial de esta tecnología”.
Los próximos pasos importantes serán evaluar el conjunto de chorros de microplasma en modelos animales adicionales y encontrar formas de controlar si el tratamiento ha funcionado o no en dichos modelos y, eventualmente, en humanos.
Un método para monitorear la respuesta al tratamiento.
“El seguimiento de la respuesta al tratamiento entre los niños con infecciones de oído presenta una variedad de desafíos diferentes”, dijo Boppart. Si bien los pacientes pediátricos pueden recibir su evaluación inicial con su proveedor de atención primaria, si su condición empeora, deben buscar atención de emergencia, explicó. Por otro lado, si un niño recibe antibióticos y sus síntomas desaparecen, a menudo no volverá para ningún tipo de examen de seguimiento. De esta manera, recopilar información longitudinal sobre la respuesta al tratamiento es notablemente difícil, afirmó.
Como primer paso en el camino hacia la monitorización longitudinal no invasiva de la respuesta al tratamiento entre niños con infecciones de oído, Boppart y sus colegas evaluaron su sistema OCT en un modelo de chinchilla. En este estudio, publicado recientemente en el Naturaleza diario Informes Científicoslos investigadores analizaron las diferentes características de las infecciones de oído entre los animales y evaluaron cómo respondieron las chinchillas a los antibióticos, utilizando tanto OCT como otoscopia estándar. Siguiendo a los animales durante tres semanas y tomando imágenes de la cavidad del oído medio casi todos los días, los investigadores pudieron comparar las dos técnicas de diagnóstico y seguir las infecciones en tiempo real.
“Este estudio no sólo reforzó el hallazgo de que la OCT supera con creces la otoscopia estándar en la evaluación de las características de una infección del oído medio, sino que también sienta las bases para los importantes estudios longitudinales en pacientes humanos que seguirán”, dijo Boppart.
Del banco a la cabecera de la cama: para cambiar el estándar de atención
El término “desde el banco hasta la cama” se utiliza a menudo para describir la investigación traslacional, es decir, el desarrollo de una tecnología en el laboratorio que luego puede usarse para ayudar a un paciente. Pero poder adaptar esa tecnología para que pueda beneficiar a toda la población y, en última instancia, transformar el estándar de atención, es una hazaña igualmente desafiante, dijo Boppart.
Aquí es donde suele intervenir la industria biomédica. La industria puede ayudar a llevar la tecnología de los estudios limitados de pacientes a los ensayos clínicos más amplios; comparar el método con el estándar de atención; y facilitar la adopción y aceptación de la técnica entre los médicos. Cuanto más desarrollada esté la tecnología, más atractivo resultará para una empresa asumir esta inversión.
“Con la financiación del NIBIB, pudimos realizar esos estudios clínicos limitados y pudimos construir prototipos de instrumentos OCT que podrían usarse en la clínica”, dijo Boppart. “Esta financiación nos ayudó a perfeccionar y eliminar riesgos de nuestra tecnología, lo que en última instancia podría facilitar su adopción en clínicas de todo el país, donde podría transformar el diagnóstico y el seguimiento de las infecciones del oído medio para todos”.
Boppart también fundó una nueva empresa, llamada PhotoniCare, que utiliza su tecnología OCT para desarrollar un endoscopio disponible comercialmente en el oído medio. La compañía planea lanzar el alcance este año.
“Este proyecto destaca el poder transformador de la financiación en las primeras etapas de las tecnologías de imágenes biomédicas”, dijo Behrouz Shabestari, Ph.D., director de los Centros Nacionales de Tecnología NIBIB. “Al apoyar investigaciones prometedoras en sus inicios, NIBIB puede ayudar a facilitar la realización de ideas novedosas en avances traslacionales y que cambien la práctica”.
Los estudios descritos en este documento fueron financiados por las subvenciones R01EB013723 y R01EB028615 del Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería.
