A primeira sonda de imagem Uasonic de fibra óptica do mundo para futuros diagnósticos de doenças em nanoescala

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Arte conceitual mostrando o mapeamento 3D de objetos microscópicos pelo sistema de sonda fônon. A fibra óptica contém uma camada de metal em sua ponta e projeta luz laser vermelha na amostra. CRÉDITO Dr. Salvatore La Cavera

Abstrato:
Cientistas da Universidade de Nottingham desenvolveram um sistema de imagem ultrassônica, que pode ser implantado na ponta de uma fibra óptica fina como um cabelo, e pode ser inserido no corpo humano para visualizar anormalidades celulares em 3D.

Primeira sonda de imagem ultrassônica de fibra óptica do mundo para diagnósticos de doenças em nanoescala futuro

Nottingham, Reino Unido | Postado em 30 de abril de 2021

A nova tecnologia produz imagens microscópicas e nanoscópicas de resolução que um dia ajudarão os médicos a examinar as células que habitam partes do corpo difíceis de alcançar, como o trato gastrointestinal, e oferecer diagnósticos mais eficazes para doenças que vão do câncer gástrico à meningite bacteriana.

O alto nível de desempenho que a tecnologia oferece atualmente só é possível em laboratórios de pesquisa de última geração com grandes instrumentos científicos - enquanto este sistema compacto tem o potencial de colocá-lo em ambientes clínicos para melhorar o atendimento ao paciente.

A inovação financiada pelo Conselho de Pesquisa de Ciências Físicas e Engenharia (EPSRC) também reduz a necessidade de rótulos fluorescentes convencionais - produtos químicos usados para examinar a biologia celular em um microscópio - que podem ser prejudiciais às células humanas em grandes doses.

As descobertas estão sendo relatadas em um novo artigo, intitulado 'Imagens de Phonon em 3D com uma sonda de fibra', publicado na revista Nature, Light: Science & Applications.

O autor do artigo, Salvatore La Cavera, bolsista do EPSRC Doctoral Prize Fellow da University of Nottingham Optics and Photonics Research Group, disse sobre o sistema de imagem ultrassônica: “Acreditamos na capacidade de medir a rigidez de uma amostra, sua biocompatibilidade potencial endoscópico, ao mesmo tempo em que acessa a nanoescala, é o que o diferencia. Esses recursos configuram a tecnologia para futuras medições dentro do corpo; em direção ao objetivo final de diagnósticos de ponto de atendimento minimamente invasivos ”.

Atualmente em estágio de protótipo, a ferramenta de imagem não invasiva, descrita pelos pesquisadores como uma "sonda de fônon", é capaz de ser inserida em um endoscópio óptico padrão, que é um tubo fino com uma luz poderosa e uma câmera na extremidade que é navegou pelo corpo para encontrar, analisar e operar lesões cancerígenas, entre muitas outras doenças. Combinar tecnologias óticas e de fônon pode ser vantajoso; acelerando o processo de fluxo de trabalho clínico e reduzindo o número de procedimentos de teste invasivos para os pacientes.

Recursos de mapeamento 3D

Assim como um médico pode conduzir um exame físico para sentir a 'rigidez' anormal no tecido sob a pele que pode indicar tumores, a sonda de fônon levará esse conceito de 'mapeamento 3D' a um nível celular.

Ao escanear a sonda ultrassônica no espaço, ele pode reproduzir um mapa tridimensional de rigidez e características espaciais de estruturas microscópicas na superfície de um espécime (por exemplo, tecido) e abaixo dela; ele faz isso com o poder de criar imagens de pequenos objetos, como um microscópio de grande escala, e o contraste para diferenciar objetos, como uma sonda ultrassônica.

“Técnicas capazes de medir se uma célula tumoral é rígida foram realizadas com microscópios de laboratório, mas essas ferramentas poderosas são pesadas, imóveis e não adaptáveis a ambientes clínicos voltados para o paciente. A tecnologia ultrassônica em nanoescala com capacidade endoscópica está pronta para dar esse salto ”, acrescenta Salvatore La Cavera.

Como Funciona

O novo sistema de imagem ultrassônica usa dois lasers que emitem pulsos curtos de energia para estimular e detectar vibrações em uma amostra. Um dos pulsos de laser é absorvido por uma camada de metal - um nanotransdutor (que funciona convertendo energia de uma forma para outra) - fabricada na ponta da fibra; um processo que resulta em fônons de alta frequência (partículas sonoras) sendo bombeados para o espécime. Em seguida, um segundo pulso de laser colide com as ondas sonoras, um processo conhecido como espalhamento de Brillouin. Ao detectar esses pulsos de laser “colididos”, a forma da onda sonora em viagem pode ser recriada e exibida visualmente.

A onda sonora detectada codifica informações sobre a rigidez de um material e até mesmo sua geometria. A equipe de Nottingham foi a primeira a demonstrar essa capacidade dupla usando lasers pulsados e fibras ópticas.

O poder de um dispositivo de imagem é normalmente medido pelo menor objeto que pode ser visto pelo sistema, ou seja, a resolução. Em duas dimensões, a sonda de fônon pode “resolver” objetos da ordem de 1 micrômetro, semelhante a um microscópio; mas na terceira dimensão (altura) ele fornece medições na escala de nanômetros, o que é sem precedentes para um sistema de imagem de fibra óptica.

Aplicações futuras

No artigo, os pesquisadores demonstram que a tecnologia é compatível tanto com uma única fibra óptica quanto com as 10-20,000 fibras de um feixe de imagem (1 mm de diâmetro), usado em endoscópios convencionais.

Consequentemente, resolução espacial superior e amplos campos de visão poderiam ser rotineiramente alcançados coletando rigidez e informações espaciais de vários pontos diferentes em uma amostra, sem a necessidade de mover o dispositivo - trazendo uma nova classe de endoscópios de fônons ao alcance.

Além da saúde clínica, campos como manufatura de precisão e metrologia podem usar essa ferramenta de alta resolução para inspeções de superfície e caracterização de materiais; uma medida complementar ou de substituição para instrumentos científicos existentes. Tecnologias emergentes, como bioimpressão 3D e engenharia de tecidos, também poderiam usar a sonda de fônon como uma ferramenta de inspeção em linha, integrando-a diretamente ao diâmetro externo da agulha de impressão.

Em seguida, a equipe desenvolverá uma série de aplicações de imagem de células biológicas e tecidos em colaboração com o Nottingham Digestive Diseases Center e o Instituto de Biofísica, Imagem e Ciência Ótica da Universidade de Nottingham; com o objetivo de criar uma ferramenta clínica viável nos próximos anos.

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Contactos:
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Mais informações estão disponíveis em Salvatore La Cavera III em

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