Os cientistas desenvolveram um sistema de imagem Raman compacto que pode distinguir com segurança entre tecido canceroso e normal. O método poderia apoiar a detecção precoce do câncer e ajudar a transferir ferramentas avançadas de imagem molecular de laboratórios de pesquisa para ambientes clínicos mais práticos.
O sistema de imagem foi projetado para detectar sinais extremamente fracos de nanopartículas de espalhamento Raman com superfície aprimorada (SERS) projetadas para se fixarem em marcadores tumorais. Depois que essas nanopartículas são aplicadas a uma amostra ou área que está sendo examinada, o sistema lê seu sinal Raman e destaca automaticamente as áreas com maior probabilidade de conter tecido tumoral.
“Os métodos tradicionais para diagnóstico relacionado ao câncer são demorados e trabalhosos porque exigem a coloração de amostras de tecido e a solicitação de patologistas para procurar quaisquer anormalidades”, disse Zhun Qiu, líder do grupo de pesquisa no Instituto de Ciências Quantitativas e Engenharia da Saúde (IQ) da MSU. “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 uma melhoria significativa na sensibilidade
Na Optica, a revista de pesquisa de alto impacto do Optica Publishing Group, Qiu e colegas relatam que seu sistema pode distinguir células cancerígenas de células saudáveis enquanto detecta sinais Raman que são cerca de quatro vezes mais fracos do que aqueles medidos por sistemas comerciais comparáveis. Esse aumento de sensibilidade vem da combinação de um laser de varredura, que muda o comprimento de onda durante a análise, com um detector ultrassensível chamado detector de fóton único de nanofio supercondutor (SNSPD).
“Essa tecnologia poderia eventualmente permitir dispositivos portáteis ou intraoperatórios que permitiriam aos médicos detectar o câncer em seus estágios iniciais, melhorar a precisão da amostragem de biópsia e monitorar a progressão da doença com testes menos invasivos”, disse Qiu. “Em última análise, esses avanços poderão melhorar os resultados dos pacientes e reduzir atrasos no diagnóstico, acelerando o processo desde a detecção até o tratamento”.
Quebrando limites de detecção com detectores supercondutores
O laboratório de Qiu estuda como o SNSPD pode ser usado para aprimorar uma série de técnicas de imagem. O SNSPD depende de fios supercondutores para detectar partículas de luz individuais, permitindo que o sistema capture sinais de luz extremamente fracos em alta velocidade, mantendo o ruído de fundo muito baixo.
Para este projeto, os pesquisadores pretendiam construir uma plataforma que pudesse medir sinais Raman que são muito mais fracos do que aqueles detectados pelos sistemas Raman existentes. A imagem Raman funciona mapeando a composição química de uma amostra por meio da impressão digital única de dispersão de luz de suas moléculas. Esses sinais podem ser aprimorados usando nanopartículas SERS.
“A combinação deste detector avançado com uma arquitetura Raman varrida substitui uma câmera volumosa e coleta luz de forma mais eficiente, resultando em um sistema com limites de detecção que excedem em muito os sistemas comerciais semelhantes”, disse Qiu. “Além disso, a configuração acoplada à fibra e o design compacto facilitam a miniaturização do sistema e a tradução clínica futura.”
Forte contraste tumoral entre 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. Experimentos preliminares usando soluções simples de nanopartículas mostram que o sistema pode 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 fortemente concentrado em amostras de tumores, com apenas um fundo mínimo detectado em tecidos saudáveis”, disse Qiu. “Isso demonstra a excelente sensibilidade deste sistema e sua capacidade de fornecer comparações confiáveis entre o tumor e a saúde. Além disso, ajustando ou substituindo as moléculas-alvo, o método pode ser adaptado a outros tipos de câncer”.
Próximas etapas para aplicações clínicas
Os pesquisadores dizem que é necessário trabalho adicional antes que o sistema possa ser usado clinicamente. As melhorias futuras se concentrarão no aumento da velocidade de leitura e na expansão dos estudos de validação. A equipe está explorando fontes de laser mais rápidas, incluindo VCSELs, e testando se a redução do alcance de varredura pode melhorar ainda mais o desempenho. Eles também planejam conduzir experimentos multiplex usando diferentes nanopartículas para atingir vários biomarcadores simultaneamente.
Os pesquisadores agradecem ao colaborador da indústria Quantum Opus, que forneceu o equipamento SNSPD utilizado neste estudo.
