Pesquisadores do MIT descobriram um efeito inesperado na física óptica que pode proporcionar uma maneira mais rápida e detalhada de imagingar tecidos vivos. Em condições específicas, o que normalmente parece um sinal de laser disperso e desordenado pode se reorganizar em um “feixe de lápis” estreito e altamente focado.
Com esse feixe autoformado, a equipe gerou imagens em 3D da barreira hematoencefálica humana a uma velocidade cerca de 25 vezes mais rápida que a abordagem atual padrão, enquanto preservava uma qualidade de imagem semelhante. O método também possibilita observar células individuais absorvendo medicamentos em tempo real. Isso pode ajudar os cientistas a avaliar se os tratamentos para condições como Alzheimer ou ELA estão realmente alcançando os alvos pretendidos no cérebro.
“A crença comum no campo é que, se você aumentar a potência desse tipo de laser, a luz inevitavelmente se tornará caótica. Mas comprovamos que não é esse o caso. Nós seguimos as evidências, abraçamos a incerteza e encontramos uma maneira de deixar a luz se organizar em uma nova solução para bioimagens,” diz Sixian You, professora assistente no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT, membro do Laboratório de Pesquisa para Eletrônica, e autora sênior de um artigo sobre essa técnica de imagingar.
Ela é acompanhada no artigo pelo autor principal Honghao Cao, um estudante de graduação da EECS; pelos estudantes de graduação Li-Yu Yu e Kunzan Liu; pelos pós-doutorandos Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton e Federico Presutti; Zhengyu Zhang PhD ’24; Subhash Kulkarni, professor assistente na Universidade de Harvard e no Beth Israel Deaconess Medical Center; e Roger Kamm, professor distinto de Engenharia Biológica e Mecânica no MIT. O artigo foi publicado hoje na Nature Methods.
Um Comportamento Surpreendente do Laser Surge
A descoberta começou com uma observação que não correspondia às expectativas.
Os pesquisadores haviam anteriormente construído um preciso modelador de fibra, um dispositivo que permite um controle cuidadoso da luz do laser que passa 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.
Normalmente, aumentar a potência faz com que a luz se disperse ainda mais devido a imperfeições dentro da fibra. No entanto, à medida que a potência se aproximava do limite onde a fibra poderia ser danificada, a luz de repente se concentrou em um único e extremamente afiado feixe.
“A desordem é intrínseca a essas fibras. A engenharia de luz que você normalmente precisa fazer para superar essa desordem, especialmente em alta potência, é um transtorno de longa data. Mas com essa auto-organização, você pode obter um feixe de lápis estável e ultrarrápido sem a necessidade de componentes personalizados para modelação do feixe,” diz You.
Condições que Permitem a Luz Auto-Organizadora
Para reproduzir esse efeito, a equipe identificou duas condições-chave.
Primeiro, o laser deve entrar na fibra em um ângulo perfeitamente alinhado de zero graus, 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.
“Nesse poder crítico, a não-linearidade pode neutralizar a desordem intrínseca, criando um equilíbrio que transforma o feixe de entrada em um feixe de lápis auto-organizado,” explica Cao.
Essas condições são raramente exploradas porque os pesquisadores geralmente evitam altos níveis de potência para prevenir danos à fibra. O alinhamento preciso também não é necessário, uma vez que as fibras multimodo já conseguem transportar grandes quantidades de energia.
No entanto, quando combinadas, essas variáveis permitem que o sistema produza um feixe estável sem uma engenharia óptica complexa.
“Esse é o encanto desse método — você pode fazer isso com uma configuração óptica normal e sem muita experiência no domínio,” diz You.
Imagens Mais Nítidas com Menos Artefatos
Testes mostraram que esse feixe de lápis é tanto estável quanto altamente detalhado em comparação com feixes similares. Muitos feixes convencionais produzem “lóbulo lateral” – halos borrados que reduzem a clareza da imagem.
Em contraste, esse feixe permanece limpo e bem focado.
Os pesquisadores então aplicaram a técnica para imagem da barreira hematoencefálica humana, uma camada densa de células que protege o cérebro de substâncias nocivas, mas também bloqueia muitos medicamentos.
Imagens 3D Mais Rápidas da Barreira Hematoencefálica
Os cientistas frequentemente precisam observar como os medicamentos se movem pelos vasos sanguíneos nessa barreira e se conseguem alcançar o tecido cerebral com sucesso. Os métodos ópticos tradicionais normalmente capturam uma fatia 2D de cada vez, exigindo varreduras repetidas para construir uma imagem 3D completa.
Usando a nova abordagem do feixe de lápis, a equipe gerou imagens rápidas e de alta precisão, enquanto também rastreava como as células absorvem proteínas em tempo real.
“A indústria farmacêutica está especialmente interessada em usar modelos baseados em humanos para rastrear medicamentos que cruzam efetivamente a barreira, uma vez que modelos animais frequentemente falham em prever o que acontece em humanos. O fato de que esse novo método não exige que as células tenham uma etiqueta fluorescente é uma mudança de jogo. Pela primeira vez, agora podemos visualizar a entrada dependente do tempo de medicamentos no cérebro e até mesmo identificar a taxa pela qual tipos específicos de células internalizam o medicamento,” diz Kamm.
“Importante, no entanto, é que essa abordagem não se limita à barreira hematoencefálica, mas permite o rastreamento resolvido em tempo de compostos e alvos moleculares diversos em modelos de tecidos engenheirados, proporcionando uma ferramenta poderosa para engenharia biológica,” acrescenta Spitz.
O sistema produziu imagens 3D em nível celular com qualidade aprimorada e o fez cerca de 25 vezes mais rápido do que os métodos existentes.
“Normalmente, você tem um trade-off entre a resolução da imagem e a profundidade de foco — você só pode sondar até certo ponto ao mesmo tempo. Mas com nosso método, conseguimos superar esse trade-off criando um feixe de lápis com tanto alta resolução quanto uma grande profundidade de foco,” diz You.
Futuras Aplicações e Próximos Passos
Olhando para o futuro, os pesquisadores pretendem entender melhor a física por trás desse feixe auto-organizador e os mecanismos que permitem sua formação. Eles também planejam estender o método para outras aplicações, incluindo a imagem de neurônios, e explorar maneiras de trazer a tecnologia para o uso prático.
Esse trabalho foi financiado, em parte, por fundos para startups do MIT, a Fundação Nacional de Ciência (NSF), a Silicon Valley Community Foundation, a Diacomp Foundation, o Harvard Digestive Disease Core, uma bolsa da MathWorks e o Prêmio Claude E. Shannon.
