Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado una molécula fluorescente basada en iones de borenio que podría mejorar de forma significativa la precisión de las imágenes biomédicas, especialmente en la detección de tumores. El avance abre la puerta a técnicas de diagnóstico más claras y profundas gracias a la emisión de luz en el rango rojo e infrarrojo cercano, que penetra mejor en los tejidos humanos. Además de su potencial médico, este nuevo tinte podría aplicarse en sensores térmicos y dispositivos optoelectrónicos como los OLED flexibles.

Luz roja para ver lo invisible

La mayoría de las técnicas de imagen fluorescente actuales se apoyan en colorantes que emiten luz azul o verde. Estos compuestos funcionan correctamente en el análisis celular, pero su utilidad se reduce al pasar a tejidos más complejos. La razón es técnica: el cuerpo humano produce autofluorescencia en esos mismos rangos de longitud de onda, lo que enmascara la señal del colorante. Además, la luz azul y verde se dispersa rápidamente, limitando su penetración a pocos cientos de micrómetros.

En cambio, la luz roja y, sobre todo, la del infrarrojo cercano (NIR), presenta una ventana óptica de mayor transparencia biológica, capaz de atravesar varios milímetros de tejido sin degradar la señal. Este fenómeno es bien conocido en biofotónica: entre 650 y 950 nanómetros, la absorción por agua y hemoglobina se reduce notablemente, lo que permite obtener imágenes más claras y profundas. Sin embargo, el reto ha sido siempre la estabilidad de los colorantes rojos. Los más comunes apenas alcanzan un rendimiento cuántico del 1 %, lo que se traduce en señales débiles y difícilmente detectables.

El equipo liderado por Robert Gilliard, profesor Novartis de Química en el MIT, ha logrado romper esa barrera gracias a una estructura molecular inusual: el ión de borenio. Se trata de un catión de boro cargado positivamente, unido a tres átomos adicionales, capaz de emitir luz en la región roja y NIR del espectro electromagnético. Estos compuestos eran conocidos desde los años ochenta, pero se consideraban meras curiosidades de laboratorio debido a su extrema inestabilidad: se descomponían con solo entrar en contacto con el aire.

Estabilizar lo efímero

El logro del MIT radica en haber conseguido estabilizar estos iones mediante el uso de ligandos carbodicarbenos (CDCs), moléculas que actúan como andamios electrónicos. Los CDCs donan densidad de carga al átomo de boro, reduciendo su reactividad y evitando que el compuesto se degrade. En un estudio previo de 2022, el mismo grupo ya había demostrado que esta estrategia permitía manejar compuestos de borenio fuera de las cámaras selladas (“gloveboxes”) habituales en química sensible al oxígeno.

En la nueva investigación, publicada en Nature Chemistry, los científicos han ido un paso más allá. Al analizar las interacciones entre los aniones (iones cargados negativamente) y los cationes de borenio dentro del sistema CDC-borenio, observaron un fenómeno denominado acoplamiento de excitones. Este efecto cuántico modifica la forma en que los electrones excitados intercambian energía, desplazando la emisión hacia longitudes de onda más largas y aumentando la eficiencia luminosa.

El resultado es asombroso: las moléculas alcanzan rendimientos cuánticos del 30 % en la región roja, una cifra excepcionalmente alta para ese tramo del espectro. Según Gilliard, “no solo estamos en la región correcta del espectro, sino que además la eficiencia de estas moléculas es realmente notable”. Este aumento de brillo permite obtener imágenes con mayor contraste, incluso a través de tejidos densos, lo que puede ser determinante en la detección temprana de tumores.

De los tubos de ensayo al cuerpo humano

Uno de los aspectos más prometedores del estudio es la versatilidad del material. Los investigadores han logrado fabricar versiones del compuesto en forma de cristales sólidos, películas delgadas, polvos y suspensiones coloidales, todas ellas con propiedades ópticas coherentes. Esto facilita su adaptación a distintas aplicaciones.

En el ámbito biomédico, el grupo de Gilliard planea encapsular las moléculas en polímeros biocompatibles, lo que permitiría su inyección en el organismo como agentes de imagen. Estos polímeros servirían tanto de protección química como de vehículo para dirigir el colorante hacia los tejidos tumorales. En colaboración con el Broad Institute de MIT y Harvard, ya se están realizando pruebas preliminares en cultivos celulares para evaluar su comportamiento dentro de entornos biológicos reales.

Si los resultados son positivos, este enfoque podría integrarse en técnicas de imagen por fluorescencia in vivo, una herramienta que complementa a la resonancia magnética o la tomografía computarizada, ofreciendo información metabólica y molecular. En un futuro cercano, podría permitir identificar márgenes tumorales con precisión milimétrica durante una cirugía, o seguir la evolución de un fármaco dentro del cuerpo en tiempo real

Termómetros moleculares y pantallas flexibles

Más allá del diagnóstico médico, los investigadores destacan otro rasgo interesante: la respuesta térmica de los iones de borenio estabilizados. En trabajos previos ya se había observado que estos compuestos cambian de color con la temperatura debido a variaciones en su estructura electrónica. Este comportamiento convierte a los nuevos colorantes en potenciales sensores térmicos moleculares.

Un sensor de este tipo podría monitorizar, por ejemplo, si una vacuna o medicamento biológico ha sido expuesto a temperaturas inadecuadas durante su transporte. Dado que el cambio de emisión es cuantificable, se podrían diseñar etiquetas fluorescentes que indiquen el historial térmico de un producto mediante una simple lectura óptica.

Pero el interés no termina ahí. Al integrarse en películas delgadas, estos compuestos muestran propiedades que los hacen idóneos para su uso en diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs). Según Gilliard, podrían emplearse en pantallas flexibles o en nuevos tipos de materiales emisores de luz roja e infrarroja, donde la estabilidad química es clave para la durabilidad del dispositivo.

La combinación de alta eficiencia cuántica, estabilidad en aire y capacidad de respuesta térmica convierte a las moléculas de borenio en una plataforma polivalente, útil tanto en biomedicina como en electrónica avanzada.

Los desafíos pendientes

A pesar de los avances, el equipo del MIT reconoce que aún queda camino por recorrer. El siguiente paso es extender la emisión de los colorantes hacia el infrarrojo más profundo (por encima de 900 nm), una región aún más transparente para los tejidos biológicos. Para lograrlo, planean incorporar átomos adicionales de boro en la estructura, lo que probablemente aumentará la complejidad química y reducirá la estabilidad.

Este equilibrio entre rendimiento óptico y estabilidad química es un desafío clásico en la ingeniería molecular. Los investigadores están explorando nuevas variantes de carbodicarbenos capaces de compensar esa inestabilidad adicional. También se evalúan métodos para ajustar las propiedades electrónicas mediante sustituyentes orgánicos, con el fin de afinar la longitud de onda de emisión sin sacrificar la durabilidad del material.

Según el estudio, financiado por la Arnold and Mabel Beckman Foundation y los National Institutes of Health, las perspectivas son optimistas. La investigación básica en química de boro está resurgiendo como fuente de innovaciones aplicadas. De hecho, el campo del “boron-based photonics” ha crecido un 25 % anual en publicaciones científicas desde 2018, según datos de Nature Chemistry.

Perspectiva científica y futura integración

El trabajo del MIT se enmarca dentro de una tendencia más amplia: el desarrollo de materiales fluorescentes inteligentes para bioimagen. En los últimos años, se han diseñado compuestos basados en lantánidos, puntos cuánticos o polímeros conjugados, pero todos presentan limitaciones en toxicidad, brillo o estabilidad. Los iones de borenio estabilizados ofrecen una combinación inusual de propiedades: son ligeros, eficientes y químicamente sintonizables.

La posibilidad de fabricar colorantes NIR con rendimientos cuánticos cercanos al 30 % representa un salto técnico notable, especialmente si se tiene en cuenta que la mayoría de los fluoróforos NIR comerciales, como el Cy7 o el Alexa Fluor 750, no superan el 10 %. A esto se suma la facilidad de procesado en forma de películas o polvos, lo que reduce costes frente a sistemas más complejos como los puntos cuánticos basados en cadmio o plomo.

En el ámbito clínico, los expertos apuntan que la biocompatibilidad y la eliminación del cuerpo serán factores clave para su aprobación. No obstante, si los ensayos iniciales confirman su seguridad, podríamos estar ante un nuevo estándar en diagnóstico óptico profundo, con aplicaciones que van desde la cirugía oncológica guiada por fluorescencia hasta la monitorización metabólica en tiempo real.

Reflexión final

El desarrollo de esta nueva molécula fluorescente del MIT demuestra cómo la química fundamental puede generar herramientas prácticas para la medicina y la ingeniería. Al estabilizar un ion que durante décadas se consideró inservible, los investigadores han abierto una vía hacia materiales más eficientes y versátiles. Aunque todavía queda trabajo antes de ver estos colorantes en hospitales o pantallas comerciales, la base científica ya está firmemente establecida.

El reto ahora consiste en trasladar estos resultados del laboratorio al mundo real, garantizando su seguridad y eficacia. Si lo logran, la próxima generación de imágenes médicas podría ser más precisa, menos invasiva y, sobre todo, más luminosa.