REVISTA CUBANA
DE TRANSFORMACIÓN DIGITAL
ARTÍCULO ORIGINAL
RNPS 2487 • ISSN 2708-3411
Vol. 4 • Nro. 3 • julio-septiembre 2023 • e217
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Captura y procesamiento de imágenes
para el diagnóstico molecular
de la Fibrosis Quística
Images Capture and Processing
for Molecular Diagnostics of Cystic Fibrosis
Lorena Díaz Mora
felorenacm@icb.cujae.edu.cu
Mirtha Irizar Mesa
mirtha@automatica.cujae.edu.cu
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA HABANA JOSÉ ANTONIO ECHEVERRÍA, CUJAE, CUBA
Recibido: 2023-04-02 • Aceptado: 2023-07-14
RESUMEN
La fibrosis quística es una enfermedad hereditaria presente en Cuba. Para
su diagnóstico conrmatorio se realiza la prueba del sudor como estándar
de oro, mientras que el alisis genético se utiliza en la detección prenatal
y preconcepcional de portadores, con el fin de identicar el riesgo de tener
un hijo con esa enfermedad. El Centro de Inmunoensayo (CIE), de Cuba, ha
desarrollado un lector de microarreglos de ADN, con la finalidad de mejorar
el pesquisaje neonatal de la enfermedad; sin embargo, carece de una aplica-
ción para realizar la validación de la calidad de las muestras con precisión.
Este trabajo presenta una herramienta computacional que permite obtener
las igenes a partir de la puesta en marcha del lector y procesarlas, transcu-
rriendo por las tres etapas fundamentales en el procesamiento de igenes
de microarreglos. Se validó mediante pruebas funcionales que garantizan su
correcto funcionamiento, permitiendo determinar las principales mutacio-
nes causantes de la fibrosis quística en cada una de las muestras estudiadas,
con alto grado de confiabilidad.
Palabras clave: fibrosis quística, microarreglos, procesamiento de imá-
genes.
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Para el diagnóstico molecular de la fibrosis quística
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ABSTRACT
Cystic Fibrosis is a hereditary disease present in Cuba and for its confirma-
tory diagnosis the sweat test is performed as the gold standard, while genetic
analysis is used in the prenatal and preconceptional detection of carriers in
order to identify the risk of having a child with this disease. Taking this last
element into account, genetic analysis should be included in routine diagnosis.
e Immunoassay Center has developed a DNA microarray reader in order to
improve neonatal screening for the disease; however, it lacks an application to
accurately validate the quality of the samples. is work presents a computa-
tional tool that allows obtaining the images from the start-up of the reader and
processing them, going through the three fundamental stages in the processing
of microarray images. It was validated through functional tests that guarantee
its correct functioning, allowing to determine the main mutations that cause
Cystic Fibrosis in each of the samples studied, with a high degree of reliability.
Keywords: Cystic Fibrosis, image processing, microarrays.
INTRODUCCIÓN
El Centro de InmunoEnsayo (CIE) es una organización de vital importancia en el impulso de
las ciencias cubana e internacional, cuya tarea fundamental es facilitar la detección o evitar
de manera precoz enfermedades que pueden afectar la calidad de vida del ser humano. Por
esta ran, dedica sus esfuerzos a la creación y el perfeccionamiento de la Tecnología Suma
(Sistema Ultra Micro Analítico), la cual se ha especializado en el desarrollo de equipamiento,
sistemas de diagnóstico y estrategias para programas de salud.
Esta tecnología forma parte indispensable del Ministerio de Salud Pública de Cuba (MIN-
SAP) y ofrece la posibilidad de realizar estudios a escala masiva, cubriendo el ciento por cien-
to de los programas de pesquisa neonatal, certicación de sangre y vigilancia epidemiológica.
Entre los programas de pesquisa neonatal que se desarrollan en el centro, se encuentra un
proyecto encaminado al Diagnóstico Molecular de la Fibrosis Quística (FQ), enfermedad cau-
sada por la mutación de un gen llamado regulador de la conductancia transmembrana de la
FQ (CFTR, por sus siglas en inglés), que afecta al organismo de forma generalizada causando
muerte prematura. En Cuba, su incidencia es de alrededor de 1 cada 5 000 nacidos vivos, sien-
do considerada un problema de salud (Armas et al., 2019).
El diagnóstico se realiza mediante el examen clínico y la prueba de electrolitos en el su-
dor, la cual tiene problemas de especicidad y, por tanto, es necesario tener un ensayo que
defina exactamente el tipo de mutación. Para que el sistema de salud cubano disponga de
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este ensayo, se necesitan síntesis de oligonucltidos, placas Greiner, un robot dispensador de
microarreglos y un lector de microarreglos para obtener las igenes correspondientes a los
oligos dispensados.
El logro de todos estos elementos facilitaría la detección temprana de los nos que pre-
sentan la enfermedad, incidiendo en la disminución de su mortalidad y permitiría obtener
una tecnología propia del país, que nos dotaría de independencia y sería más económica, pues
en el mercado internacional un test (ADN) de FQ para una persona ronda los 900.00 USD.
En apoyo a este diagnóstico, desde 2007 hasta hoy se ha desarrollado un proyecto enca-
minado al diseño de un lector de microarreglos, MICROLEC. En una etapa inicial se logró
realizar una serie cero de este equipamiento y posteriormente un prototipo (Centro de Inmu-
noensayo, 2016). Ambos equipamientos, para principios del año 2020, aún presentaban defi-
ciencias estructurales y electrónicas en su diseño, lo cual se reflejaba en la calidad de la obten-
ción de las imágenes provenientes de los lectores. Esta situación, dificultaba la interpretación
biológica de esas imágenes.
Siendo así, se decidió por parte de un grupo multidisciplinario del centro, realizar un
nuevo diseño, MICROLEC II, que basado en las experiencias anteriores permitiera lograr fi-
nalmente un equipamiento capaz de propiciar igenes relevantes para el diagnóstico de la
enfermedad y que además se pudiera exportar a los países de América Latina, donde el centro
tiene algunas sucursales.
Ante este nuevo equipamiento, era imperante la necesidad de desarrollar un software para
la captura y el procesamiento de estas imágenes, lo cual permitiera contar con una herramien-
ta que facilite el alisis autotico de las igenes capturadas por el lector en tiempo real.
METODOLOGÍA
Un microarreglo es comúnmente denido como una colección de gotas microscópicas orga-
nizadas en forma de cuadrícula o rejilla y adheridas a una supercie sólida o membrana. Un
ensayo de microarreglo para diagnóstico es una técnica que consiste en la adsorción de bio-
moléculas sobre un soporte sólido formando una matriz. Esas biomoléculas se incuban con
la muestra que se va a analizar, donde se produce el reconocimiento y la unión con los ácidos
nucleicos (Wu, E., A. Su, Billings, Brooks, & Wu, X., 2012). A continuación, la reacción es reve-
lada con el uso de marcadores fluorescentes, generalmente de cianina, Cy3 (rojo) y Cy5 (ver-
de), los cuales tienen emisiones en los rangos de 510-550 nm y 630-660 nm, respectivamente.
Posteriormente, se obtiene la imagen a través de un lector y las herramientas bioinformáticas
permiten interpretar y analizar los resultados (Bolón-Canedo & Alonso-Betanzos, 2019).
Teniendo como base las premisas anteriores, en una primera etapa de la investigación se
estudiaron e implementaron varios algoritmos para analizar una imagen de microarreglos
para diagnóstico, pasando por las tres etapas fundamentales de su alisis: preprocesamiento
y grillado, segmentación y extracción de caractesticas (Belean, Gutt, Costea, & Balacescu,
2020; Shao, D., Li, Zhang, Yang, & Shangguan, 2019).
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Durante los últimos años se han desarrollado software libres, como ScanAlyze, GenePix
y QuantArray. En estos se implementan métodos de segmentación como el de Watershed y
Crecimiento de Regiones, los cuales permiten reconocer y extraer la intensidad del gen. Tam-
bién son utilizados otros software, como Bioconductor, MeV, GEPAS; pero aún existen pro-
blemas para procesar imágenes de baja calidad o igenes ruidosas y débiles. Por tanto, el
avance tecnológico exige obtener nuevas metodologías para alcanzar expresiones del gen de
calidad superior (Bello, Colombini, & Takeda, 2015).
Requerimientos de la aplicación
Para la implementación de cada una de las etapas por las que transitan las igenes de mi-
croarreglos, se concibió, desde la etapa de diseño, una aplicación con las siguientes especica-
ciones:
Requerimientos funcionales
• Inicialización de la lectura para capturar la imagen a través de una cámara CCD por co-
nexión USB a la PC.
• Preprocesar, segmentar y extraer caractesticas de las igenes.
• Guardar todas las imágenes de microarreglos que son analizadas.
Requerimientos no funcionales. El software debe:
• Ser compatible con las versiones del sistema operativo Microsoft Windows.
• Indicarle al usuario el flujo de actividades hasta lograr los elementos que permitan el
diagnóstico molecularnal.
• Poseer una interfaz amigable y de fácil interpretación.
Para la confección del programa se seleccionó la arquitectura de software del tipo «n ca-
pas». Esta arquitectura tiene como objetivo primordial la separación de la lógica de datos de
la presentación al usuario, aunque existe una comunicación entre ellas para el correcto fun-
cionamiento del software. La ventaja principal de este estilo es que el desarrollo se puede lle-
var a cabo en varios niveles y, en caso de que sobrevenga algún cambio, solo se ataca al nivel
requerido sin tener que revisar todo el código mezclado.
Descripción de la estrategia propuesta
La herramienta computacional (figura 1) se desarrolló en Microsoft Visual Studio. emplean-
do métodos presentes en la biblioteca de código abierto Emgu CV (versión 4.1). En la venta-
na principal del programa se muestran dos funciones básicas: Inicializar lectura y Procesar
imágenes (figura 1). En la primera función se realiza una inicialización del sistema a partir de
la conguración establecida y el correcto posicionamiento de los elementos del lector, como