La fotònica comprèn les ciències de la llum i les tecnologies derivades. L’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), situat a Castelldefels, és un dels centres catalans amb desenes d’investigadors dedicats a millorar els diagnòstics mèdics i l’efectivitat de les teràpies, i a aprofundir en l’origen dels processos biològics.
© Òscar Julve
Mentre examinava una làmina de suro sota el microscopi de cinquanta augments, Robert Hooke va distingir un teixit de cavitats regulars que va anomenar cells (cel·les). Era el 1665, i Hooke acabava de descobrir les cèl·lules, que més endavant es postularien com els elements vius més petits. Des d’aleshores els detalls del naixement, el metabolisme, la reproducció, la diferenciació i la mort de les cèl·lules han anat augmentant amb la potència de les lents. La biologia cel·lular sorgeix i es desenvolupa amb la microscòpia. A l’horitzó, els misteris fonamentals de la vida.
A mitjan segle XIX, doncs, Carl Zeiss (la seva petita fàbrica de microscopis és ara una de les líders mundials, amb el lema “Nosaltres ho fem visible”) va contractar l’acadèmic Ernst Abbe per portar al límit la capacitat de les seves lents. Malauradament, Abbe el va trobar aviat. Com que la llum és una ona, la difracció restringeix la resolució d’una imatge a detalls de la mida comparable a la longitud d’ona de la llum que s’utilitza. Això vol dir 200 milionèsimes de mil·límetre per a la llum visible; un cabell és cinc-centes vegades més gran. Bona part de la vida interior de les cèl·lules queda per sota del límit d’Abbe. L’abast de la biologia cel·lular morirà, també, amb el límit de la microscòpia?
Els virus pirategen els mecanismes cel·lulars per replicar-se en un organisme. El càncer és el resultat d’una fallada en la regulació de la reproducció cel·lular. Visualitzar aquests processos in vivo és crucial per posar-hi remei. Tanmateix, es produeixen més enllà del límit d’Abbe i, per tant, són impossibles de distingir amb claredat.
Aquesta perspectiva va horroritzar el jove físic Stefan Hell, que a finals del segle xx es va proposar trobar la manera d’evitar el límit d’Abbe. El desenvolupament del làser, la nanotecnologia, el tractament de les mostres a escala molecular i una bona dosi d’enginy li van permetre tenir un control minuciós de la interacció de la llum amb la mostra, fins al punt de controlar la llum emesa des de regions diminutes. El 2014 va compartir el premi Nobel de química amb Eric Betzig i William Moerner per la invenció de la microscòpia de superresolució.
© Albert Armengol
Maria Pia Cosma, investigadora del Centre de Regulació Genòmica.
Al segle XXI la superresolució s’ha continuat desenvolupant gràcies a la clàssica col·laboració entre la física i la biologia. En l’últim número de la revista Cell s’han publicat les imatges de resolució nanomètrica de l’estructura nanomètrica de l’ADN, fruit de la col·laboració dels grups dirigits per Melike Lakadamyali i María García-Parajó a l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), i Maria Pia Cosma al Centre de Regulació Genòmica (CRG). Els resultats estan relacionats amb l’emmagatzematge d’informació genètica a l’ADN i han permès aclarir en un nivell més el procés de diferenciació de les cèl·lules mare. A l’horitzó, els misteris fonamentals de la vida.
Però la fotònica no és l’únic camp que s’ha desenvolupat darrere el prefix bio. Bioenginyeria, bioinformàtica, biomatemàtica…, són nombroses les disciplines convocades pels enigmes de la biologia i afavorides per l’avenç de la nanotecnologia. I nombrosos els centres d’investigació de Barcelona, com l’Institut de Recerca Biomèdica (IRB Barcelona), el Centre de Regulació Genòmica (CRG), l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), l’Institut d’Investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS) i l’Institut d’Investigacions Biomèdiques de Bellvitge (IDIBELL), junt amb grups de diverses universitats, del Consell Superior d’Investigacions Científiques i de diversos hospitals, que tenen desenes d’investigadors dedicats a millorar els diagnòstics i l’efectivitat de les teràpies i a aprofundir en l’origen dels processos biològics. Entre aquests hi ha l’ICFO.
Perquè, tot i que és natural començar un article sobre l’ús de la llum en biomedicina parlant de la capacitat de veure-hi, la llum serveix també per diagnosticar i curar. Per exemple, el grup dirigit a l’ICFO per Romain Quidant utilitza nanopartícules metàl·liques per detectar determinades substàncies en un fluid. Aquestes nanopartícules es cobreixen amb anticossos dissenyats per unir-se específicament a alguns antígens (patògens, marcadors biològics propis de cèl·lules tumorals, o qualsevol altra substància d’interès) i després s’il·luminen. La resposta de les nanopartícules a la llum depèn de si estan lliures o lligades a la molècula en qüestió, i en revela, per tant, la presència i la concentració. Es tracta d’un mètode no invasiu i de sensibilitat finíssima, que permet un diagnòstic primerenc i monitorar l’efectivitat d’una teràpia, ajustant al límit la intensitat que ha de tenir segons els resultats que s’obtenen.
© Albert Armengol
Experiments amb làser a les instal·lacions de l’Institut de Ciències Fotòniques.
Un altre exemple de diagnòstic i control de teràpia s’investiga al Grup d’Òptica Mèdica de l’ICFO, dirigit per Turgut Durduran. En aquest cas s’estudia la manera com la llum és absorbida o desviada quan travessa la sang i els teixits. En contextos especialment fràgils i amb una dependència cabdal del temps de reacció, com en nounats amb dèficit d’oxigenació cerebral, el seguiment no intrusiu, instantani i in situ del flux resulta una eina insubstituïble. El Grup d’Òptica Mèdica duu a terme aquest programa amb la participació de diversos hospitals i centres d’investigació, com el Vall d’Hebron, l’IDIBAPS o l’IDIBELL. A l’Hospital Clínic s’assagen diagnòstics de càncer i el control de l’administració de l’anestèsia durant una operació, mentre que a l’Hospital de la Santa Creu i Sant Pau es monitora l’efectivitat de teràpies en pacients que han patit un ictus cerebral o que estan afectats per l’apnea obstructiva del son.
Que la interacció de la llum amb teixits humans, molècules fluorescents o nanopartícules tingui tantes aplicacions en biomedicina és mèrit, en resum, del fabulós desenvolupament en l’art de generar i emetre llum, detectar-la, apagar-la i tornar-la a encendre, guiar-la, manipular-la, amplificar-la… En definitiva, d’això que anomenem fotònica, una disciplina que comprèn totes les ciències que estudien la llum i les tecnologies que s’hi basen, considerada per la Unió Europea una de les set tecnologies habilitadores clau per al segle XXI.
Tots els programes de salut i biofotònica de l’ICFO tenen el suport de la Fundació Mir Puig, la Fundació Cellex i l’Obra Social “la Caixa”.