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

Com este feixe autoformado, a equipe produziu imagens 3D da barreira hematoencefálica humana a velocidades cerca de 25 vezes mais rápidas do que a atual abordagem padrão-ouro, preservando ao mesmo tempo uma qualidade de imagem semelhante. O método também permite observar células individuais absorvendo medicamentos em tempo real. Isto poderia ajudar os cientistas a avaliar se os tratamentos para doenças como Alzheimer ou ELA estão realmente atingindo os alvos pretendidos no cérebro.

“A crença comum na área é que se você aumentar a potência deste tipo de laser, a luz inevitavelmente se tornará caótica. Mas provamos que este não é o caso. Seguimos as evidências, abraçamos a incerteza e encontramos uma maneira de deixar a luz se organizar em uma nova solução para bioimagem, “diz Sixian You, professor assistente no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT, membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica e autor sênior de um artigo sobre esta técnica de imagem.

Ela é acompanhada no artigo pelo autor principal Honghao Cao, um estudante de pós-graduação do EECS; os alunos de pós-graduação do EECS, Li-Yu Yu e Kunzan Liu; pós-doutorandos 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, ilustre professor Cecil e Ida Green de Engenharia Biológica e Mecânica do MIT. O artigo aparece hoje na Nature Methods.

Surge um comportamento surpreendente do laser

A descoberta começou com uma observação que não correspondia às expectativas.

Os pesquisadores já haviam construído um modelo preciso modelador de fibraum dispositivo que permite o controle cuidadoso da luz laser que viaja 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, o aumento da potência faz com que a luz se espalhe mais devido a imperfeições no interior da fibra. Em vez disso, à medida que a energia se aproximava do limite onde a fibra poderia ser danificada, a luz subitamente concentrou-se num único feixe extremamente nítido.

“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 incômodo de longa data. Mas com essa auto-organização, você pode obter um feixe de lápis ultrarrápido e estável sem a necessidade de componentes personalizados de modelagem de feixe”, diz You.

Condições que permitem a luz auto-organizada

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

Primeiro, o laser deve entrar na fibra em um ângulo de zero grau perfeitamente alinhado, o que é mais rigoroso do que a prática padrão. Segundo, a potência deve ser aumentada até que a luz comece a interagir diretamente com o material de vidro da fibra.

“Nesta potência crítica, a não linearidade pode contrariar a desordem intrínseca, criando um equilíbrio que transforma o feixe de entrada num feixe de lápis auto-organizado”, explica Cao.

Tais condições raramente são exploradas porque os pesquisadores normalmente evitam altos níveis de potência para evitar danos à fibra. O alinhamento preciso também geralmente não é necessário, uma vez que as fibras multimodo já podem transportar grandes quantidades de energia.

Quando combinados, entretanto, esses fatores permitem que o sistema produza um feixe estável sem engenharia óptica complexa.

“Esse é o charme deste método – você poderia fazer isso com uma configuração óptica normal e sem muito conhecimento de domínio”, diz You.

Imagens mais nítidas com menos artefatos

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

Em contraste, este feixe permanece limpo e bem focado.

Os pesquisadores então aplicaram a técnica para obter imagens da barreira hematoencefálica humana, uma densa camada de células que protege o cérebro de substâncias nocivas, mas também bloqueia muitos medicamentos.

Imagem 3D mais rápida da barreira hematoencefálica

Os cientistas muitas vezes precisam observar como as drogas se movem através dos vasos sanguíneos nesta barreira e se atingem com sucesso o tecido cerebral. Os métodos ópticos tradicionais normalmente capturam uma fatia 2D por vez, exigindo varreduras repetidas para construir uma imagem 3D completa.

Usando a nova abordagem de feixe de lápis, a equipe gerou imagens rápidas e de alta precisão, ao mesmo tempo que rastreou como as células absorvem proteínas em tempo real.

“A indústria farmacêutica está especialmente interessada em usar modelos baseados em humanos para rastrear medicamentos que efetivamente atravessam a barreira, já que os modelos animais muitas vezes não conseguem prever o que acontece em humanos. O fato de este novo método não exigir que as células tenham uma etiqueta fluorescente é uma virada 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.

“É importante, no entanto, que esta abordagem não se limite à barreira hematoencefálica, mas permite o rastreamento de diversos compostos e alvos moleculares em modelos de tecidos projetados, fornecendo uma ferramenta poderosa para a engenharia biológica”, acrescenta Spitz.

O sistema produziu imagens 3D em nível celular com qualidade aprimorada e cerca de 25 vezes mais rápido do que os métodos existentes.

“Normalmente, há uma compensação entre a resolução da imagem e a profundidade de foco – você só pode sondar até certo ponto de cada vez. Mas com nosso método, podemos superar essa compensação criando um feixe de lápis com alta resolução e grande profundidade de foco, “Você diz.

Aplicações Futuras e Próximas Etapas

Olhando para o futuro, os investigadores pretendem compreender melhor a física por trás deste feixe auto-organizado e os mecanismos que permitem a sua formação. Eles também planejam estender o método a outras aplicações, incluindo geração de imagens de neurônios, e explorar maneiras de colocar a tecnologia em uso prático.

Este trabalho foi financiado, em parte, por fundos iniciais do MIT, pela National Science Foundation (NSF), pela Silicon Valley Community Foundation, pela Diacomp Foundation, pelo Harvard Digestive Disease Core, por uma bolsa MathWorks e pelo prêmio Claude E. Shannon.