Pesquisadores do MIT identificaram 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 parece um sinal de laser disperso e distorcido pode se reconstruir em um “feixe de lápis” estreito e altamente focado.
Com este feixe auto-organizado, a equipe criou imagens 3D da barreira hematoencefálica humana a uma velocidade quase 25 vezes mais rápida do que os métodos padrão-ouro atuais, mantendo ao mesmo tempo uma qualidade de imagem semelhante. O método também permite ver células individuais absorvendo 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.
“A crença comum na área é que se você aumentar a potência deste tipo de laser, a luz inevitavelmente se tornará caótica. Mas provamos que não é o caso. Seguimos as evidências, abraçamos a incerteza e encontramos uma maneira de a luz se organizar em uma nova solução para bioimagem, “disse Cixian Yu, engenheiro assistente de pesquisa no Departamento de Engenharia Elétrica (MITEECS). Membro do Laboratório de Eletrônica e autor sênior de artigo sobre esta técnica de imagem.
Ele é acompanhado no artigo pelo autor principal Honghao Cao, um estudante de pós-graduação do EECS; os alunos de pós-graduação do EECS, Li-Yu Yu e Kunzan Liu; pós-doutorandos Sarah Spitz, Francesca Michela Promton e Federico Presuti; Zhengyu Zhang PhD ’24; Subhash Kulkarni, professor assistente da Universidade de Harvard e do Beth Israel Deaconess Medical Center; e Roger Kamm, ilustre professor Cecil e Ida Green de Engenharia Biológica e Mecânica do MIT. O artigo aparece hoje na Nature Methods.
Um comportamento surpreendente do laser emerge
A busca começou com uma observação que não correspondia às expectativas.
Os pesquisadores desenvolveram anteriormente um modelador de fibra de precisão, um dispositivo que permite o controle preciso da luz do laser que viaja através de uma fibra óptica multimodo, capaz de transportar altos níveis de potência.
Cao aumentou gradualmente a potência do laser para testar os limites da fibra.
Geralmente, um aumento na potência faz com que a luz se espalhe mais devido a imperfeições no interior da fibra. Em vez disso, quando a energia se aproximou do limite no qual a fibra poderia ser danificada, a luz condensou-se subitamente num feixe único e extremamente nítido.
“A desordem é inerente a essas fibras. A engenharia de luz que você normalmente teria que fazer para superar essa desordem, especialmente em alta potência, é um incômodo crônico. Mas com essa auto-organização, você pode obter um feixe de lápis ultrarrápido e estável sem a necessidade de componentes personalizados de modelagem de feixe”, você disse.
Condições que permitem luz auto-organizada
Para reproduzir esse efeito, a equipe identificou dois requisitos principais.
Primeiro, o laser deve entrar na fibra em um ângulo de zero grau perfeitamente alinhado, o que é mais rigoroso do que a prática padrão. Em segundo lugar, a potência deve ser aumentada até que a luz comece a interagir diretamente com o material de vidro da fibra.
“Nessa energia 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 exploradas porque os pesquisadores geralmente evitam altos níveis de energia para evitar danos às fibras. O alinhamento preciso geralmente não é necessário porque as fibras multimodo já podem transportar grandes quantidades de energia.
Combinados, esses fatores permitem que o sistema produza um feixe estável sem engenharia óptica complexa.
“Esse é o charme desta abordagem – você pode fazer isso com uma configuração óptica natural e sem muito conhecimento de domínio”, diz You.
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 feixes convencionais produzem “lóbulos laterais” – halos fracos que reduzem a clareza da imagem.
Em contraste, este feixe permanece claro e bem focado.
Os pesquisadores então aplicaram a técnica para obter imagens da barreira hematoencefálica humana, uma espessa camada de células que protege o cérebro de substâncias nocivas, mas bloqueia muitos medicamentos.
Imagem 3D rápida da barreira hematoencefálica
Os cientistas muitas vezes precisam monitorar como os medicamentos viajam através dos vasos sanguíneos dentro dessa barreira e se chegam com sucesso ao tecido cerebral. Os métodos ópticos tradicionais normalmente capturam uma fatia 2D por vez, exigindo varreduras repetidas para criar uma imagem 3D completa.
Usando o novo método de feixe de lápis, a equipe criou imagens rápidas e de alta precisão e rastreou como as células absorvem proteínas em tempo real.
“A indústria farmacêutica está particularmente interessada em usar modelos baseados em humanos para rastrear medicamentos que efetivamente atravessam a barreira, porque os modelos animais muitas vezes não conseguem prever o que acontece nos seres humanos. O fato de este novo método não exigir que as células tenham uma etiqueta fluorescente é uma virada de jogo. Pela primeira vez, podemos agora imaginar tipos específicos de cérebro dependentes do tempo e internalizar medicamentos para identificar tipos de medicamentos”, disse Kam.
“É importante, no entanto, que esta abordagem não se limite à barreira hematoencefálica, mas permite o rastreamento de vários compostos e alvos moleculares em modelos de tecidos projetados, fornecendo uma ferramenta poderosa para a engenharia biológica”, acrescenta Spitz.
O sistema produziu imagens 3D em nível celular com qualidade aprimorada e cerca de 25 vezes mais rápido que os métodos existentes.
“Normalmente, você tem uma compensação entre a resolução da imagem e a profundidade de foco – você só pode pesquisar até certo ponto de cada vez. Mas com nosso método, superamos essa compensação criando um feixe de lápis com alta resolução e uma grande profundidade de foco “, disse você.
Aplicações futuras e próximos passos
Olhando para o futuro, os investigadores pretendem compreender melhor a física por trás deste feixe auto-organizado e os processos que permitem a sua formação. Eles planejam expandir o método para outras aplicações, incluindo geração de imagens de neurônios, e explorar maneiras de levar a tecnologia para uso prático.
Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo MIT Startup Fund, pela National Science Foundation (NSF), pela Silicon Valley Community Foundation, pela Diacomp Foundation, pelo Harvard Digestive Disease Core, por uma bolsa MathWorks, e pelo Claude E. foi financiado por um prêmio Shannon.
