Cientistas desenvolveram um sistema de imagem Raman compacto que consegue diferenciar de forma confiável tecidos cancerígenos de tecidos normais. Esta nova abordagem pode apoiar a detecção precoce do câncer e ajudar a levar ferramentas avançadas de imagem molecular para além dos laboratórios de pesquisa, trazendo-as para ambientes clínicos mais práticos.
O sistema de imagem é projetado para detectar sinais extremamente fracos provenientes de nanopartículas de espalhamento Raman amplificado por superfície (SERS), que são projetadas para se ligar a marcadores tumorais. Assim que essas nanopartículas são aplicadas em uma amostra ou na área a ser examinada, o sistema interpreta o sinal Raman e automaticamente destaca regiões que têm uma probabilidade maior de conter tecido tumoral.
“Os métodos tradicionais de diagnóstico relacionados ao câncer são demorados e exigem muito trabalho, pois precisam da coloração das amostras de tecido e da análise de um patologista para identificar quaisquer anomalias,” afirmou Zhen Qiu, líder da equipe de pesquisa do Instituto de Quantidade em Ciência e Engenharia da Saúde (IQ), da Universidade Estadual de Michigan. “Enquanto nosso sistema não substituirá imediatamente a patologia, ele pode servir como uma ferramenta de triagem rápida para acelerar o diagnóstico.”
Resultados publicados mostram grandes avanços em sensibilidade
No jornal Optica, do Optica Publishing Group, Qiu e seus colegas relatam que seu sistema pode distinguir células cancerígenas das saudáveis enquanto detecta sinais Raman que são cerca de quatro vezes mais fracos do que os medidos por um sistema comercial comparável. Este aumento na sensibilidade resulta da combinação de um laser de varredura — que altera a wavelength durante a análise — com um detector ultra-sensível chamado detector de fótons únicos de nanofio supercondutor (SNSPD).
“Essa tecnologia poderia eventualmente possibilitar dispositivos portáteis ou intraoperatórios que permitam aos clínicos detectar cânceres em estágios mais precoces, melhorar a precisão da amostragem de biópsias e monitorar a progressão da doença através de testes menos invasivos,” disse Qiu. “Em última análise, esses avanços podem melhorar os resultados dos pacientes e reduzir os atrasos no diagnóstico, acelerando o caminho da detecção ao tratamento.”
Ousando ultrapassar limites de detecção com detectores supercondutores
O laboratório de Qiu investiga como os SNSPDs podem ser usados para aprimorar uma variedade de tecnologias de imagem. Os SNSPDs utilizam um fio supercondutor que pode detectar partículas individuais de luz, permitindo que o sistema capture sinais ópticos extremamente fracos em alta velocidade, mantendo o ruído de fundo muito baixo.
Para este projeto, os pesquisadores buscaram criar uma plataforma que pudesse medir sinais Raman muito mais fracos do que aqueles detectados por sistemas Raman existentes. A imagem Raman funciona ao mapear a composição química de uma amostra através das características únicas de espalhamento de luz de suas moléculas. Esses sinais podem ser ampliados utilizando nanopartículas SERS.
“A combinação desse detector avançado com uma arquitetura Raman de varredura que substitui uma câmera volumosa e coleta luz de maneira mais eficiente resultou em um sistema com um limite de detecção muito além do que sistemas comerciais comparáveis oferecem,” destacou Qiu. “Além disso, a configuração de acoplamento de fibra e o design compacto facilitam a miniaturização do sistema e sua futura tradução clínica.”
Fortes contrastes tumorais em múltiplos tipos de amostras
Para testar o sistema, a equipe utilizou nanopartículas SERS revestidas com ácido hialurônico, permitindo que as partículas se ligassem à CD44, uma proteína de superfície encontrada em muitas células tumorais. Experimentos iniciais com soluções simples de nanopartículas mostraram que o sistema poderia alcançar uma sensibilidade femtomolar. Os pesquisadores então aplicaram a plataforma de imagem em células de câncer de mama cultivadas, tumores de camundongos e amostras de tecido saudáveis.
“Os sinais SERS estavam fortemente concentrados nas amostras tumorais, com apenas um mínimo de fundo detectado no tecido saudável,” afirmou Qiu. “Isso demonstra tanto a sensibilidade excepcional do sistema quanto sua capacidade de fornecer um contraste confiável entre tumor e tecido saudável. Além disso, ajustando ou substituindo a molécula-alvo, esse método poderia ser adaptado para outros tipos de câncer.”
Próximos passos rumo ao uso clínico
Segundo os pesquisadores, mais trabalho é necessário antes que o sistema possa ser utilizado em ambientes clínicos. As melhorias futuras se concentrarão em aumentar a velocidade de leitura e expandir os estudos de validação. A equipe está explorando fontes de laser mais rápidas, incluindo VCSELs, e testando se a redução da faixa de varredura pode melhorar ainda mais o desempenho. Eles também planejam experimentos de multiplexagem que usarão diferentes nanopartículas para direcionar múltiplos biomarcadores ao mesmo tempo.
Os pesquisadores agradecem ao colaborador da indústria Quantum Opus, que forneceu os dispositivos SNSPD utilizados neste trabalho.
