Cientistas desenvolveram um sistema compacto de imagem Raman capaz de diferenciar de forma confiável o tecido canceroso do tecido normal. Essa abordagem pode apoiar a detecção precoce do câncer e ajudar a levar ferramentas avançadas de imagem molecular além dos laboratórios de pesquisa e para ambientes clínicos mais práticos.
O sistema de imagem foi projetado para detectar sinais extremamente fracos de dispersão Raman amplificada por superfície (SERS) em nanopartículas que são desenvolvidas para se ligarem a marcadores tumorais. Assim que essas nanopartículas são aplicadas a uma amostra ou à área que está sendo examinada, o sistema lê seu sinal Raman e destaca automaticamente as regiões mais propensas a conter tecido tumoral.
“Os métodos tradicionais de diagnóstico relacionados ao câncer são demorados e trabalhosos, pois requerem a coloração das amostras de tecido e a análise por um patologista à procura de anomalias”, comentou Zhen Qiu, líder da equipe de pesquisa do Instituto de Ciência da Saúde Quantitativa e Engenharia (IQ), da Michigan State University. “Embora nosso sistema não substitua imediatamente a patologia, ele pode servir como uma ferramenta de triagem rápida para acelerar o diagnóstico.”
Resultados publicados mostram avanços significativos em sensibilidade
No jornal Optica, do Optica Publishing Group, Qiu e seus colegas relatam que seu sistema consegue distinguir células cancerígenas de células saudáveis enquanto detecta sinais Raman que são cerca de quatro vezes mais fracos do que os medidos por um sistema comercial comparável. Essa sensibilidade aprimorada resulta da combinação de um laser de varredura, que muda de comprimento de onda durante a análise, com um detector ultra-sensível chamado detector de fótons únicos com fio supercondutor (SNSPD).
“Essa tecnologia pode 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 por meio de testes menos invasivos”, afirmou Qiu. “Em última análise, tais avanços poderiam melhorar os resultados dos pacientes e reduzir atrasos diagnósticos, acelerando o caminho da detecção para o tratamento.”
Superando limites de detecção com detectores supercondutores
O laboratório de Qiu investiga como os SNSPDs podem ser utilizados para aprimorar uma gama de tecnologias de imagem. Os SNSPDs utilizam um fio supercondutor que pode detectar partículas individuais de luz, permitindo ao sistema captar sinais ópticos extremamente fracos em alta velocidade, mantendo o ruído de fundo muito baixo.
Para este projeto, os pesquisadores tinham como objetivo construir uma plataforma capaz de medir sinais Raman muito mais fracos do que os detectados por sistemas Raman existentes. A imagem Raman funciona mapeando a composição química de uma amostra através das impressões digitais únicas de espalhamento de luz de suas moléculas. Esses sinais podem ser amplificados com o uso de nanopartículas SERS.
“A combinação desse detector avançado com uma arquitetura Raman de varredura que substitui uma câmera volumosa e coleta luz de forma mais eficiente resultou em um sistema com um limite de detecção bem além dos sistemas comerciais comparáveis”, disse Qiu. “Além disso, a configuração de acoplamento de fibra e o design compacto facilitam a miniaturização do sistema e a futura tradução clínica.”
Forte contraste tumoral em múltiplos tipos de amostras
Para testar o sistema, a equipe utilizou nanopartículas SERS revestidas com ácido hialurônico, o que permite que as partículas se liguem a CD44, uma proteína de superfície encontrada em muitas células tumorais. Experimentos iniciais com soluções simples de nanopartículas mostraram que o sistema poderia alcançar sensibilidade em femtomolares. Os pesquisadores então aplicaram a plataforma de imagem a células de câncer de mama cultivadas, tumores em camundongos e amostras de tecido saudável.
“Os sinais SERS estavam fortemente concentrados em amostras tumorais, com apenas um mínimo de fundo detectado em tecidos saudáveis”, disse Qiu. “Isso demonstra tanto a sensibilidade excepcional do sistema quanto sua capacidade de fornecer um contraste confiável entre tumor e tecido saudável. Além disso, ao ajustar ou substituir a molécula de direcionamento, esse método poderia ser adaptado para outros tipos de câncer.”
Próximos passos rumo ao uso clínico
De acordo com os pesquisadores, trabalhos adicionais são necessários antes que o sistema possa ser utilizado em ambientes clínicos. As futuras melhorias 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 multiplexação que utilizam diferentes nanopartículas para direcionar múltiplos biomarcadores ao mesmo tempo.
Os pesquisadores agradecem à colaboradora da indústria Quantum Opus, que forneceu os dispositivos SNSPD utilizados neste trabalho.
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