Pesquisadores do MIT descobriram um efeito inesperado na física óptica que poderia levar a uma maneira mais rápida e detalhada de obter imagens de tecidos vivos. Sob certas condições, o que normalmente aparece como um sinal de laser disperso e desordenado pode se reorganizar em um “feixe de lápis” estreito e altamente focado.
Usando este feixe auto-moldado, a equipe criou imagens 3D da barreira hematoencefálica humana a cerca de 25 vezes a velocidade da abordagem padrão-ouro atual, mantendo ao mesmo tempo uma qualidade de imagem semelhante. O método também permite observar como as células individuais absorvem os medicamentos em tempo real. Isto poderia ajudar os cientistas a avaliar se os tratamentos para doenças como Alzheimer ou ELA estão realmente atingindo os alvos pretendidos no cérebro.
“O consenso geral na área é que se você aumentar a potência deste tipo de laser, a luz inevitavelmente se tornará caótica. Mas provamos que este não é o caso. Seguimos as evidências, aceitamos a incerteza e encontramos uma maneira de permitir que a luz se organize em uma nova solução de bioimagem, “diz Sixian Yu, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT, membro do Comitê de Pesquisa do Laboratório de Eletrônica e autor sênior do artigo sobre esta técnica de imagem.
Ela é acompanhada pelo autor principal Honghao Cao, estudante de pós-graduação do EECS; os alunos de pós-graduação do EECS, Li-Yu Yu e Kunzan Liu; bolsistas de pós-doutorado Sara Spitz, Francesca Michela Promotan e Federica Presutti; Zhengyu Zhang PhD ’24; Subhash Kulkarni, professor associado da Universidade de Harvard e do Beth Israel Deaconess Medical Center; e Roger Kamm, ilustre professor de Biologia e Engenharia Mecânica do MIT Cecil e Ida Greene. O artigo aparece hoje na Nature Methods.
Aparece um comportamento estranho do laser
A descoberta começou com uma observação que não correspondeu às expectativas.
Os pesquisadores criaram anteriormente um modelador de fibra de precisão, um dispositivo que permite o controle cuidadoso da luz do laser que passa por uma fibra óptica multimodo capaz de transportar altos níveis de potência.
Cao aumentou gradativamente a potência do laser para testar os limites da fibra.
Normalmente, o aumento da potência resulta em maior dispersão da luz devido a imperfeições na fibra. Em vez disso, à medida que a potência se aproximava do limite em que a fibra poderia ser danificada, a luz foi subitamente concentrada num único feixe extremamente nítido.
“Essas fibras são inerentemente confusas. A engenharia de iluminação que normalmente precisa ser feita para superar essa bagunça, especialmente em alta potência, é um problema de longa data. Mas com essa auto-organização, você pode obter um feixe de lápis ultrarrápido e estável sem a necessidade de componentes especiais de formação de feixe”, diz Yu.
Condições que permitem que a luz se auto-organize
Para reproduzir esse efeito, a equipe identificou dois requisitos principais.
Primeiro, o laser deve entrar na fibra em um ângulo perfeitamente alinhado de zero grau, o que é mais rígido do que a prática padrão. Segundo, a potência deve ser aumentada até que a luz comece a interagir diretamente com a fibra de vidro.
“Nesta potência crítica, a não linearidade pode neutralizar a desordem interna, criando um equilíbrio que transforma o feixe de entrada em um feixe de lápis auto-organizado”, explica Cao.
Tais condições raramente são estudadas porque os pesquisadores geralmente evitam altos níveis de potência para evitar danos às fibras. O alinhamento preciso também geralmente não é necessário, uma vez que a fibra multimodo já pode transportar grandes quantidades de energia.
No entanto, em combinação, estes fatores permitem que o sistema produza um feixe estável sem engenharia óptica complexa.
“Esse é o charme deste método – você poderia fazê-lo com uma configuração óptica regular e sem muita experiência na área”, diz Yu.
Imagens mais nítidas com menos artefatos
Os testes mostraram que este feixe de lápis é estável e altamente detalhado em comparação com feixes semelhantes. Muitos raios comuns criam “lóbulos laterais” – halos borrados que reduzem a nitidez da imagem.
Pelo contrário, este feixe permanece limpo e bem focado.
Os pesquisadores então aplicaram a técnica para obter imagens da barreira hematoencefálica humana, uma densa camada de células que protege o cérebro de substâncias nocivas, mas também bloqueia muitos medicamentos.
Imagens 3D mais rápidas da barreira hematoencefálica
Os cientistas muitas vezes precisam observar como as drogas viajam através dos vasos sanguíneos através desta barreira e se chegam com sucesso ao tecido cerebral. Os métodos ópticos tradicionais normalmente capturam uma fatia 2D por vez, exigindo várias digitalizações para criar uma imagem 3D completa.
Usando uma nova técnica de feixe de lápis, a equipe criou imagens rápidas e de alta resolução enquanto rastreava como as células absorvem proteínas em tempo real.
“A indústria farmacêutica está particularmente interessada em usar modelos humanos para rastrear medicamentos que efetivamente atravessam a barreira, já que os modelos animais muitas vezes não conseguem prever o que acontece nos humanos. O fato de que este novo método não exige que as células sejam marcadas com fluorescência é uma virada de jogo. Pela primeira vez, podemos agora visualizar a entrada dependente do tempo de medicamentos no cérebro e até mesmo determinar a taxa na qual certos tipos de células internalizam o medicamento”, diz Kam.
“É importante, no entanto, que esta abordagem não se limite à barreira hematoencefálica, mas permite o rastreamento de uma variedade de compostos e alvos moleculares em modelos de tecidos projetados com resolução de tempo, fornecendo uma ferramenta poderosa para a bioengenharia”, acrescenta Spitz.
O sistema criou imagens 3D no nível celular com qualidade aprimorada e fez isso cerca de 25 vezes mais rápido que os métodos existentes.
“Normalmente, há uma compensação entre a resolução da imagem e a profundidade de foco – você só pode explorar até certo ponto. Mas com nosso método, podemos superar essa compensação criando um feixe de lápis com alta resolução e grande profundidade de foco”, diz Yu.
Aplicações futuras e próximos passos
Olhando para o futuro, os investigadores procuram compreender melhor a física por trás deste feixe auto-organizado e os mecanismos que permitem a sua formação. Eles também planejam estender o método a outras aplicações, incluindo imagens neurais, e explorar maneiras de aplicar a tecnologia na prática.
Este trabalho foi financiado em parte por fundos iniciais do MIT, pela National Science Foundation (NSF), pela Silicon Valley Community Foundation, pela Diacomp Foundation, pelo Harvard Digestive System Center, por uma bolsa MathWorks e por um prêmio Claude E. Shannon.
