Os cientistas desenvolveram um sistema de imagem combinado compacto que pode distinguir com segurança o tecido canceroso do tecido normal. Esta abordagem poderia apoiar a detecção precoce do cancro e ajudar a transferir ferramentas avançadas de imagem molecular dos laboratórios de investigação para ambientes clínicos mais práticos.
O sistema de imagem foi projetado para detectar sinais muito fracos de nanopartículas de espalhamento combinado de superfície (SERS) que são projetadas para se fixarem em marcadores tumorais. Depois de aplicar essas nanopartículas a uma amostra ou área a ser examinada, o sistema lê o sinal Raman e destaca automaticamente as áreas com maior probabilidade de conter tecido tumoral.
“Os métodos tradicionais de diagnóstico de câncer são demorados e trabalhosos porque exigem que os patologistas corem amostras de tecido e procurem anormalidades”, disse o principal autor do estudo, Zhen Qiu, do Instituto de Ciências Médicas Quantitativas e Engenharia (IQ) da Universidade Estadual de Michigan. “Embora nosso sistema não substitua imediatamente a patologia, ele pode servir como uma ferramenta de triagem rápida para acelerar o diagnóstico”.
Os resultados publicados mostram um aumento significativo na sensibilidade
Na Optica, revista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto rendimento, Qiu e seus colegas relatam que seu sistema pode distinguir o câncer de células saudáveis enquanto detecta sinais de dispersão combinados que são cerca de quatro vezes mais fracos do que aqueles medidos por um sistema comercial comparável. Essa sensibilidade aprimorada vem da combinação de um laser de varredura de fonte que muda o comprimento de onda durante a análise com um detector altamente sensível chamado detector de fóton único de nanofio supercondutor (SNSPD).
“Essa tecnologia pode eventualmente permitir dispositivos portáteis ou intraoperatórios que permitam aos médicos detectar o câncer em estágios iniciais, melhorar a precisão da amostragem de biópsia e monitorar a progressão da doença com testes menos invasivos”, disse Qiu. “Em última análise, tais avanços poderiam melhorar os resultados dos pacientes e reduzir atrasos no diagnóstico, acelerando o caminho desde a detecção até o tratamento”.
Ultrapassando os limites da detecção com detectores supercondutores
O laboratório de Qiu está explorando como os SNSPDs podem ser usados para melhorar uma série de tecnologias de imagem. Os SNSPDs contam com um fio supercondutor que pode detectar partículas individuais de luz, permitindo ao sistema capturar sinais ópticos extremamente fracos em alta velocidade, mantendo um ruído de fundo muito baixo.
Para este projeto, os pesquisadores procuraram construir uma plataforma que pudesse medir sinais de espalhamento combinado muito mais fracos do que aqueles detectados pelos sistemas de espalhamento combinado existentes. A imagem Raman funciona mapeando a composição química de uma amostra por meio das impressões digitais únicas de dispersão de luz de suas moléculas. Esses sinais podem ser amplificados usando nanopartículas SERS.
“Acoplar este detector avançado a uma arquitetura de espalhamento combinatório de varredura de fonte que substitui uma câmera volumosa e coleta luz de forma mais eficiente resultou em um sistema com um limite de detecção que excede em muito o de sistemas comerciais comparáveis”, disse Qiu. “Além disso, a configuração do link de fibra e o design compacto facilitam a miniaturização do sistema e a tradução clínica futura.”
Forte contraste tumoral em vários tipos de amostras
Para testar o sistema, a equipe utilizou nanopartículas SERS revestidas com ácido hialurônico, que permite que as partículas se liguem ao CD44, uma proteína de superfície encontrada em muitas células tumorais. Os primeiros experimentos com soluções simples de nanopartículas mostraram que o sistema poderia atingir sensibilidade femtomolar. Os pesquisadores então aplicaram a plataforma de imagem a células cultivadas de câncer de mama, tumores de camundongos e amostras de tecidos saudáveis.
“O sinal SERS estava altamente concentrado nas amostras de tumor, com apenas um fundo mínimo detectado nos tecidos saudáveis”, disse Qiu. “Isso demonstra a sensibilidade excepcional do sistema e sua capacidade de fornecer tumor confiável versus contraste saudável. Além disso, ao ajustar ou substituir a molécula inteira, este método pode ser adaptado para outros tipos de câncer.”
Próximas etapas para uso clínico
Segundo os pesquisadores, é necessário mais trabalho antes que o sistema possa ser usado em ambiente clínico. As melhorias futuras se concentrarão no aumento da velocidade de leitura e na expansão dos estudos de validação. A equipe está estudando fontes de laser mais rápidas, incluindo VCSELs, e testando se o estreitamento do alcance de varredura pode melhorar ainda mais o desempenho. Eles também estão planejando experimentos de multiplexação que usam diferentes nanopartículas para atingir vários biomarcadores simultaneamente.
Os pesquisadores gostariam de agradecer à Quantum Opus Industry, que forneceu os dispositivos SNSPD utilizados neste trabalho.
