Cientistas do MIT transformam luz laser caótica em poderosa ferramenta de imagem cerebral

Com esse feixe autoformado, a equipe produziu imagens 3D da barreira hematoencefálica humana a uma velocidade cerca de 25 vezes mais rápida do que o método padrão atual, mantendo uma qualidade de imagem similar. O método também possibilita observar células individuais absorvendo medicamentos em tempo real, o que pode ajudar cientistas a avaliar se tratamentos para condições como Alzheimer ou ELA estão realmente atingindo seus alvos 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 provamos que isso não é verdade. Seguimos as evidências, abraçamos a incerteza e encontramos uma forma de deixar a luz se organizar em uma solução inovadora para bioimagem”, afirma Sixian You, professora assistente do 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 imagem.

Ela é acompanhada no artigo por Honghao Cao, estudante de pós-graduação da EECS; os graduandos Li-Yu Yu e Kunzan Liu; postdocs Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton e Federico Presutti; Zhengyu Zhang, PhD ’24; Subhash Kulkarni, professor assistente da Universidade de Harvard e do Beth Israel Deaconess Medical Center; e Roger Kamm, o Cecil e Ida Green Distinguished Professor 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 se encaixava nas expectativas.

Os pesquisadores haviam construído anteriormente um modelador de fibra preciso, um dispositivo que permite um controle cuidadoso da luz laser que passa por uma fibra óptica multimodal, capaz de carregar 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 espalhe ainda mais devido a imperfeições dentro da fibra. Entretanto, à medida que a potência se aproximava do limite onde a fibra poderia ser danificada, a luz de repente se concentrava em um feixe único e extremamente afiado.

“A desordem é intrínseca a essas fibras. A engenharia de luz que você normalmente precisa fazer para superar essa desordem, especialmente em altas potências, é um incômodo de longa data. Mas com essa auto-organização, você pode obter um feixe em lápis estável e ultrarrápido sem a necessidade de componentes de modelagem de feixe personalizados”, diz You.

Condições que Permitiram a Luz Auto-Organizadora

Para reproduzir esse efeito, a equipe identificou dois requisitos fundamentais.

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 contrabalançar a desordem intrínseca, criando um equilíbrio que transforma o feixe de entrada em um feixe em lápis auto-organizado”, explica Cao.

Essas condições são raramente exploradas porque os pesquisadores normalmente evitam altos níveis de potência para prevenir danos à fibra. Um alinhamento preciso também não é geralmente necessário, uma vez que as fibras multimodais podem já carregar grandes quantidades de energia.

No entanto, quando combinados, esses fatores permitem que o sistema produza um feixe estável sem engenharia ótica complexa.

“Essa é a graça deste método – você poderia fazer isso com uma configuração óptica normal e sem muita expertise na área”, diz You.

Imagens Mais Nítidas com Menos Artefatos

Os testes mostraram que este feixe em lápis é tanto estável quanto altamente detalhado em comparação a feixes semelhantes. Muitos feixes convencionais produzem “lobos laterais” – halos borrados que reduzem a clareza da imagem.

Em contraste, este feixe permanece limpo e altamente focado.

Os pesquisadores então aplicaram a técnica para imagens 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

Cientistas frequentemente precisam observar como os medicamentos se movimentam pelos vasos sanguíneos nesta barreira e se conseguem alcançar o tecido cerebral. Métodos ópticos tradicionais capturam tipicamente uma fatia 2D de cada vez, exigindo varreduras repetidas para construir uma imagem 3D completa.

Utilizando a nova abordagem do feixe em lápis, a equipe gerou imagens rápidas e de alta precisão enquanto também acompanhava como as células absorvem proteínas em tempo real.

“A indústria farmacêutica está especialmente interessada em usar modelos baseados em humanos para selecionar medicamentos que cruzem efetivamente a barreira, uma vez que modelos animais muitas vezes não conseguem prever o que acontece em humanos. O fato de que esse novo método não requer que as células tenham um marcadores fluorescentes é uma mudança de jogo. Pela primeira vez, podemos agora visualizar a entrada dependente do tempo de medicamentos no cérebro e até mesmo identificar a taxa na qual tipos específicos de células internalizam o medicamento”, diz Kamm.

“Importante, no entanto, este método não se limita à barreira hematoencefálica, mas possibilita o rastreamento em tempo real de diversos compostos e alvos moleculares em modelos de tecidos engenheirados, proporcionando uma ferramenta poderosa para a 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, há um trade-off entre resolução da imagem e profundidade de foco – você só consegue sondar até uma certa profundidade de cada vez. Mas com nosso método, podemos superar esse trade-off criando um feixe em lápis com alta resolução e uma grande profundidade de foco”, diz You.

Aplicações Futuras e Próximos Passos

Visando 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 expandir o método para outras aplicações, incluindo a imagem de neurônios, e explorar maneiras de levar a tecnologia para uso prático.

Este trabalho foi financiado, em parte, por fundos de startups do MIT, pela Fundação Nacional de Ciências (NSF), pela Silicon Valley Community Foundation, pela Diacomp Foundation, pelo Harvard Digestive Disease Core, por uma bolsa da MathWorks e pelo Prêmio Claude E. Shannon.