Pesquisadores do MIT descobriram um efeito inesperado na física óptica que poderia levar a um método mais rápido e detalhado de geração de imagens de tecidos vivos. Sob certas condições, os sinais de laser que normalmente parecem dispersos e desordenados podem se reorganizar em “feixes de lápis” estreitos e altamente focados.
Usando este feixe autoformado, a equipe gerou imagens 3D da barreira hematoencefálica humana aproximadamente 25 vezes mais rápido do que os métodos padrão-ouro atuais, mantendo uma qualidade de imagem semelhante. O método também permite observar a captação do medicamento por células individuais em tempo real. Isto poderia ajudar os cientistas a avaliar se os tratamentos para doenças como a doença de Alzheimer ou a esclerose lateral amiotrófica realmente alcançam os objetivos pretendidos pelo cérebro.
“Há uma crença comum na área de que se você aumentar a potência de tais lasers, a luz inevitavelmente se tornará caótica”, disse Sixian You, professor assistente no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT e membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica e autor sênior do artigo sobre tecnologia de imagem. “Mas mostrámos que este não é o caso. Seguimos as evidências, aceitámos a incerteza e encontrámos uma forma de deixar a luz organizar-se numa nova imagem biológica.”
O principal autor do artigo e estudante de pós-graduação do EECS, Cao Honghao, também participou da redação do artigo. os alunos de pós-graduação do EECS, Li-Yu Yu e Kunzan Liu; pós-doutorandos Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton e Federico Presutti; Dr.Zhengyu Zhang ’24; Subhash Kulkarni, professor assistente da Universidade de Harvard e do Beth Israel Deaconess Medical Center; Roger Kamm, Biologia e Engenharia Mecânica do MIT. O artigo foi publicado hoje na revista Nature Methods.
Surpreende o comportamento surpreendente do laser
A descoberta começou com uma observação que não correspondeu às expectativas.
Os pesquisadores construíram anteriormente um modelador de fibra preciso, um dispositivo que pode controlar cuidadosamente a luz do laser que viaja através de fibras ópticas multimodo capazes de transportar altas potências.
Cao aumentou gradualmente a potência do laser para testar os limites da fibra.
Normalmente, o aumento da potência resulta em mais dispersão de luz devido a defeitos na fibra. Em vez disso, à medida que a potência se aproxima do limite no qual a fibra pode ser danificada, a luz concentra-se subitamente num feixe extremamente nítido.
“A desordem é inerente a essas fibras. A engenharia óptica normalmente necessária para superar essa desordem, especialmente em altas potências, é um incômodo de longa data. Mas por meio dessa auto-organização, você pode obter feixes de lápis ultrarrápidos e estáveis, sem a necessidade de componentes personalizados de modelagem de feixe, “Você disse.
Condições para realizar luz auto-organizada
Para recriar 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. Segundo, a potência deve ser aumentada até que a luz comece a interagir diretamente com o material de vidro da fibra.
“Nesta potência crítica, a não linearidade pode compensar a desordem inerente, criando um equilíbrio que transforma o feixe de entrada em um feixe de lápis auto-organizado”, explicou Cao.
Essa condição raramente é explorada porque os pesquisadores normalmente evitam altos níveis de potência para evitar danos à fibra. O alinhamento preciso também geralmente não é necessário porque a fibra multimodo já pode transportar grandes quantidades de energia.
No entanto, quando estes factores são combinados, o sistema pode produzir um feixe estável sem engenharia óptica complexa.
“Essa é a beleza desta abordagem – você pode fazer isso usando configurações ópticas normais sem exigir muito conhecimento de domínio”, disse You.
Imagens mais nítidas com menos artefatos
Os testes mostraram que o feixe lápis é estável e altamente detalhado em comparação com feixes semelhantes. Muitos feixes de luz convencionais produzem “lóbulos laterais” – halos borrados que reduzem a clareza da imagem.
Em contraste, o 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 os medicamentos atravessam os vasos sanguíneos nesta barreira e se atingem com sucesso o tecido cerebral. Os métodos ópticos tradicionais normalmente capturam uma fatia 2D por vez, exigindo varreduras repetidas para construir uma imagem 3D completa.
Usando o novo método de feixe de lápis, a equipe gerou imagens rápidas e de alta precisão, ao mesmo tempo que rastreou como as células absorvem proteínas instantaneamente.
“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 acontecerá nos seres humanos. Esta nova abordagem não exige que as células tenham rótulos fluorescentes, o que é uma virada de jogo. Pela primeira vez, podemos agora visualizar a dependência do tempo de uma droga que entra no cérebro e até mesmo determinar a taxa na qual um tipo específico de célula internaliza a droga”, disse Kamm.
“É importante, no entanto, que esta abordagem não se limite à barreira hematoencefálica e permite o rastreamento de diferentes compostos e alvos moleculares em modelos de tecidos projetados, fornecendo uma ferramenta poderosa para a bioengenharia”, acrescentou Spitz.
O sistema produz imagens 3D em nível de célula de alta qualidade, aproximadamente 25 vezes mais rápido que os métodos existentes.
“Normalmente, você tem uma compensação entre resolução da imagem e profundidade de foco – você só pode detectar até certo ponto de uma vez. Mas com nosso método, podemos superar essa compensação criando um feixe de lápis com alta resolução e grande profundidade de foco, “Você disse.
Aplicações futuras e próximos passos
No futuro, os investigadores pretendem compreender melhor a física por trás deste feixe auto-organizado e como ele se forma. Eles também planejam expandir o método para outras aplicações, incluindo geração de imagens de neurônios, e explorar maneiras de colocar a tecnologia em aplicações práticas.
Este trabalho foi financiado em parte por uma bolsa inicial do MIT, pela National Science Foundation (NSF), pela Silicon Valley Community Foundation, pela Diacomp Foundation, pelo Harvard Digestive Disease Core, por uma bolsa MathWorks e por um prêmio Claude E. Shannon.
