Uma nova técnica de imagem desenvolvida por cientistas do MIT, Universidade de Harvard, e o Massachusetts General Hospital (MGH) visa iluminar estruturas celulares em tecidos profundos e outros materiais densos e opacos. O método deles usa partículas minúsculas embutidas no material, que emitem luz laser.

A equipe sintetizou essas "partículas de laser" na forma de pequenos pauzinhos, cada um medindo uma pequena fração da largura de um fio de cabelo humano. As partículas são feitas de perovskita de iodeto de chumbo, um material que também é usado em painéis solares, e que absorve e retém a luz de forma eficiente. Quando os pesquisadores apontam um feixe de laser para as partículas, as partículas se acendem, exalando normal, luz fluorescente difusa. Mas se eles sintonizarem a energia do laser de entrada para um certo "limite de laser, "as partículas irão gerar luz laser instantaneamente.

Os pesquisadores, liderado pelo estudante de pós-graduação do MIT Sangyeon Cho, demonstraram que eram capazes de estimular as partículas a emitir luz laser, criar imagens com uma resolução seis vezes maior do que a dos microscópios atuais baseados em fluorescência.

"Isso significa que se a resolução de um microscópio de fluorescência for definida em 2 micrômetros, nossa técnica pode ter resolução de 300 nanômetros - uma melhoria de cerca de seis vezes em relação aos microscópios regulares, "Cho diz." A ideia é muito simples, mas muito poderosa e pode ser útil em muitas aplicações de imagem diferentes. "

Cho e seus colegas publicaram seus resultados na revista Cartas de revisão física . Seus co-autores incluem Seok Hyun Yun, professor em Harvard; Nicola Martino, pesquisador em Harvard e no Wellman Center for Photomedicine do MGH; e Matjaž Humar, pesquisador do Instituto Jozef Stefan. A pesquisa foi feita como parte da Divisão de Ciências e Tecnologia da Saúde de Harvard-MIT.

Uma luz no escuro

Quando você acende uma lanterna em uma sala escura, que a luz parece relativamente difusa, feixe nebuloso de luz branca, representando uma confusão de diferentes comprimentos de onda e cores. Em forte contraste, a luz do laser é um foco pontiagudo, feixe de luz monocromático, de uma freqüência e cor específicas.

Na microscopia de fluorescência convencional, os cientistas podem injetar uma amostra de tecido biológico com partículas cheias de corantes fluorescentes. Eles então apontam um feixe de laser através de uma lente que direciona o feixe através do tecido, fazendo com que quaisquer partículas fluorescentes em seu caminho se acendam.

Mas essas partículas, como lanternas microscópicas, produzir um relativamente indistinto, brilho difuso. Se tais partículas emitissem mais focadas, luz semelhante a laser, eles podem produzir imagens mais nítidas de células e tecidos profundos. Nos últimos anos, pesquisadores desenvolveram partículas emissoras de luz laser, mas o trabalho de Cho é o primeiro a aplicar essas partículas únicas em aplicações de imagem.

Lasers chopstick

A equipe primeiro sintetizou minúsculo, Nanofios de 6 mícrons de perovskita de iodeto de chumbo, um material que faz um bom trabalho de captura e concentração de luz fluorescente. A geometria em forma de bastão das partículas - que Cho descreve como "semelhante a um pauzinho" - pode permitir que um comprimento de onda específico de luz salte para frente e para trás ao longo do comprimento das partículas, gerando uma onda estacionária, ou muito regular, padrão concentrado de luz, semelhante a um laser.

Os pesquisadores então construíram uma configuração ótica simples, semelhante aos microscópios de fluorescência convencionais, em que um feixe de laser é bombeado de uma fonte de luz, através de uma lente, e em uma plataforma de amostra contendo as partículas de laser.

Em geral, os pesquisadores descobriram que as partículas emitiam luz fluorescente difusa em resposta à estimulação do laser, semelhantes aos corantes fluorescentes convencionais, em baixa potência da bomba. Contudo, quando eles ajustaram a potência do laser para um certo limite, as partículas iluminaram consideravelmente, emitindo muito mais luz laser.

Cho diz que a nova técnica óptica, que eles chamaram de microscopia de emissão estimulada por partículas LAser (LASE), pode ser usado para criar imagens de um plano focal específico, ou uma camada particular de tecido biológico. Teoricamente, ele diz, os cientistas podem projetar um feixe de laser em uma amostra tridimensional de tecido incorporada por toda parte com partículas de laser, e use uma lente para focar o feixe em uma profundidade específica. Apenas as partículas no foco do feixe irão absorver luz ou energia suficiente para serem ativadas como lasers. Todas as outras partículas a montante do feixe do caminho devem absorver menos energia e apenas emitir luz fluorescente.

"Podemos coletar toda essa emissão estimulada e distinguir facilmente o laser da luz fluorescente usando espectrômetros, "Diz Cho." Esperamos que isso seja muito poderoso quando aplicado ao tecido biológico, onde a luz normalmente se espalha ao redor, e a resolução é devastada. Mas se usarmos partículas de laser, eles serão os pontos estreitos que emitirão luz laser. Assim, podemos distinguir do fundo e podemos alcançar uma boa resolução. "

Giuliano Scarcelli, professor assistente da Universidade de Maryland, diz que o sucesso da técnica dependerá de sua implementação em um microscópio de fluorescência padrão. Uma vez que isso seja alcançado, aplicações de imagem a laser, ele diz, são promissores.

"O fato de você ter um laser versus fluorescência provavelmente significa que você pode medir mais profundamente no tecido porque tem uma relação sinal-ruído mais alta, "diz Scarcelli, que não estava envolvido no trabalho. "Precisamos ver na prática, mas por outro lado, com ótica, não temos uma boa maneira de obter imagens de tecidos profundos. Portanto, qualquer pesquisa sobre este tópico é uma adição bem-vinda. "

Para implementar esta técnica em tecido vivo, Cho diz que as partículas de laser teriam que ser biocompatíveis, quais materiais de perovskita de iodeto de chumbo não são. Contudo, a equipe está investigando maneiras de manipular as próprias células para brilhar como lasers.

"Nossa ideia é, por que não usar a célula como fonte de luz interna? ”, diz Cho.“ Estamos começando a pensar sobre esse problema ”.