Este sistema de imagem ultrassensível pode detectar o câncer mais cedo

O sistema de imagem foi projetado para detectar sinais extremamente fracos de nanopartículas de espalhamento Raman com superfície aprimorada (SERS) que são projetadas para se fixarem em marcadores tumorais. Depois 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 com maior probabilidade de conter tecido tumoral.

“Os métodos tradicionais para o diagnóstico relacionado ao câncer são demorados e trabalhosos porque exigem a coloração de amostras de tecido e a procura de um patologista por quaisquer anormalidades”, disse o líder da equipe de pesquisa, Zhen Qiu, do Instituto de Ciência e Engenharia Quantitativa da Saúde (IQ), Universidade Estadual de Michigan. “Embora o nosso sistema não substitua imediatamente a patologia, poderia servir como uma ferramenta de rastreio rápida para acelerar o diagnóstico.”

Os resultados publicados mostram grandes ganhos em sensibilidade

Na Optica, revista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto, Qiu e colegas relatam que seu sistema pode distinguir células cancerosas de células saudáveis ​​enquanto detecta sinais Raman que são cerca de quatro vezes mais fracos do que aqueles medidos por um sistema comercial comparável. Essa sensibilidade aprimorada vem da combinação de um laser de fonte varrida – que muda o comprimento de onda durante a análise – com um detector ultrassensível chamado detector de fóton único de nanofio supercondutor (SNSPD).

“Esta tecnologia poderá eventualmente permitir dispositivos portáteis ou intraoperatórios que permitam aos médicos detectar cancros em fases iniciais, melhorar a precisão da amostragem de biópsia e monitorizar a progressão da doença através de testes menos invasivos”, disse Qiu. “Em última análise, tais avanços poderiam melhorar os resultados dos pacientes e reduzir atrasos no diagnóstico, acelerando o caminho desde a detecção até o tratamento”.

Expandindo os limites de detecção com detectores supercondutores

O laboratório de Qiu estuda como os SNSPDs podem ser usados ​​para aprimorar uma série de tecnologias de imagem. Os SNSPDs contam com um fio supercondutor que pode detectar partículas individuais de luz, permitindo ao sistema capturar sinais ópticos extremamente fracos em alta velocidade, mantendo o ruído de fundo muito baixo.

Para este projeto, os pesquisadores pretendiam construir uma plataforma que pudesse medir sinais Raman muito mais fracos do que aqueles detectados pelos sistemas Raman existentes. A imagem Raman funciona mapeando a composição química de uma amostra através das impressões digitais únicas de dispersão de luz de suas moléculas. Esses sinais podem ser fortalecidos com o uso de nanopartículas SERS.

“A combinação deste detector avançado com uma arquitetura Raman de fonte varrida que substitui uma câmera volumosa e coleta luz de forma mais eficiente resultou em um sistema com um limite de detecção muito além de sistemas comerciais comparáveis”, disse Qiu. “Além disso, a configuração do acoplamento de fibra e o design compacto facilitam a miniaturização do sistema e a tradução clínica futura.”

Forte contraste tumoral em vários tipos de amostras

Para testar o sistema, a equipe utilizou nanopartículas SERS revestidas com ácido hialuronano, que permite que as partículas se liguem ao CD44, uma proteína de superfície encontrada em muitas células tumorais. Experimentos iniciais com soluções simples de nanopartículas mostraram que o sistema poderia atingir sensibilidade femtomolar. Os pesquisadores então aplicaram a plataforma de imagem a células cultivadas de câncer de mama, tumores de camundongos e amostras de tecidos saudáveis.

“Os sinais SERS estavam fortemente concentrados em amostras de tumores, com apenas um fundo mínimo detectado em tecidos saudáveis”, disse Qiu. “Isso demonstra a sensibilidade excepcional do sistema e sua capacidade de fornecer contraste confiável entre tumor e saudável. Além disso, ajustando ou substituindo a molécula alvo, este método pode ser adaptado para outros tipos de câncer.”

Próximas etapas para uso clínico

Segundo os pesquisadores, é necessário trabalho adicional antes que o sistema possa ser usado em ambientes clínicos. As melhorias futuras se concentrarão no aumento da velocidade de leitura e na expansão dos estudos de validação. A equipe está explorando fontes de laser mais rápidas, incluindo VCSELs, e testando se o estreitamento do alcance de varredura pode melhorar ainda mais o desempenho. Eles também planejam experimentos de multiplexação que usam diferentes nanopartículas para atingir vários biomarcadores ao mesmo tempo.

Os pesquisadores agradecem ao colaborador da indústria Quantum Opus, que forneceu os dispositivos SNSPD usados ​​neste trabalho.