Ao imitar o intrincado sistema visual de uma borboleta, os pesquisadores criaram uma câmera que fornece aos cirurgiões uma imagem colorida tradicional e uma imagem próxima ao infravermelho que torna as células cancerosas marcadas com fluorescência visíveis mesmo sob luz cirúrgica forte. A nova câmera foi projetada para ajudar os cirurgiões a remover todas as células cancerosas sem danificar o tecido saudável, tornando menos provável que o câncer se espalhe e reduzindo a necessidade de várias cirurgias.

"Em vez de juntar lentes e sensores disponíveis comercialmente para construir uma câmera para cirurgia guiada por imagem, olhamos para os sistemas visuais da natureza em busca de inspiração, "disse o líder da equipe de pesquisa, Viktor Gruev, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign." A borboleta morfo, cujos olhos contêm nanoestruturas que detectam informações multiespectrais, pode adquirir informações de infravermelho próximo e cores simultaneamente. "

No Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, os pesquisadores demonstram que sua câmera bioinspirada pode detectar tumores em animais e é útil para avaliar o estágio do câncer de mama em pessoas. A nova câmera oferece detecção de fluorescência muito sensível, mesmo sob iluminação padrão de sala de cirurgia, pesa menos do que uma bateria AA, e pode ser fabricado por cerca de US $ 20.

"Durante a cirurgia, é imperativo que todo o tecido canceroso seja removido, e criamos uma plataforma de imagem que pode ajudar os cirurgiões a fazer isso em qualquer hospital do mundo porque é pequeno, compacto e barato, "disse Gruev." Embora tenhamos abordado o lado da instrumentação, Marcadores fluorescentes direcionados para câncer e aprovados para uso em pessoas são necessários para que nossa tecnologia encontre aplicação generalizada. Vários deles estão em ensaios clínicos agora, portanto, devemos ver progresso nessa área em breve. "

Aprendendo com a natureza

A nova câmera é muito superior às câmeras atuais, aprovadas pela Food and Drug Administration (FDA) dos EUA para a visualização de marcadores fluorescentes durante a cirurgia. Muitas câmeras infravermelhas existentes não têm sensibilidade para detectar marcadores de fluorescência em configurações cirúrgicas, portanto, as luzes da sala devem ser diminuídas para visualizar a fluorescência.

Outro problema com os sensores infravermelhos de hoje é que a imagem de fluorescência nem sempre está alinhada com precisão, ou co-registrado, com o tecido de onde surge. Isso acontece porque os instrumentos aprovados pela FDA usam vários elementos ópticos, como divisores de feixe e lentes de relé, para separar os comprimentos de onda visível e infravermelho, para que cada um possa ser enviado para detectores separados. Ligeiras mudanças de temperatura na sala podem afetar a ótica desses instrumentos, causando desalinhamentos de imagem que podem fazer com que o cirurgião perca tecido canceroso enquanto remove desnecessariamente o problema saudável.

"Percebemos que os problemas das imagens infravermelhas de hoje poderiam ser atenuados usando nanoestruturas semelhantes às da morfo borboleta, "disse Missael Garcia, um pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e autor principal do artigo. "Seus olhos compostos contêm fotorreceptores localizados próximos um do outro, de modo que cada fotorreceptor detecta diferentes comprimentos de onda de luz de uma forma intrinsecamente co-registrada."

A nova câmera usa uma configuração semelhante ao olho de borboleta, entrelaçando várias estruturas em nanoescala com uma série de fotodetectores, permitindo a coleta de informações de fluorescência de cor e infravermelho próximo em um dispositivo de imagem. Integrar o detector e a óptica de imagem em um único sensor monolítico mantém o dispositivo pequeno, barato e insensível às mudanças de temperatura.

O design resolve o problema de sensibilidade de maneira única, permitindo que cada pixel absorva o número de fótons necessários para construir uma imagem. Não demora muito para criar a imagem de comprimento de onda visual para visualizar a anatomia, já que a iluminação visível no laboratório é alta. Por outro lado, porque a fluorescência é normalmente fraca, leva mais tempo para coletar um número suficiente de fótons para construir uma imagem suficientemente brilhante. Ao alterar o tempo de exposição para permitir que cada pixel detecte os fótons de que precisa, uma imagem de fluorescência brilhante pode ser criada sem superexpor a imagem colorida do tecido.

Testes pré-clínicos e clínicos

Os pesquisadores testaram seu novo instrumento em um modelo de camundongo que desenvolve câncer de mama espontâneo. Isso significa que o local exato onde o câncer vai crescer é desconhecido, assim como o número de células cancerosas. Usando marcadores fluorescentes que se ligam às células cancerosas, os pesquisadores mostraram que seu imageador bioinspirado possibilitou a detecção de tumor com uma precisão e sensibilidade que supera as câmeras infravermelhas de última geração aprovadas pelo FDA para cirurgia guiada por imagem.

Os pesquisadores também testaram a capacidade de sua câmera infravermelha de identificar nódulos linfáticos em 11 pacientes com câncer de mama na Escola de Medicina da Universidade de Washington, em St. Louis. Como os gânglios linfáticos são um dos principais locais onde o câncer de mama se espalha, os cirurgiões os examinam para determinar o estágio do câncer. Os pacientes foram injetados com corante fluorescente verde de indocianina aprovado pela FDA que se acumula passivamente nos gânglios linfáticos e, em seguida, imagens de fluorescência do imageador bioinspirado foram exibidas em uma tela ou projetadas em óculos usados ​​pelos cirurgiões.

"Nós mostramos que sob luzes cirúrgicas brilhantes, nosso instrumento era 1000 vezes mais sensível à fluorescência do que os imageadores atualmente aprovados para cirurgia guiada por imagem infravermelha, "disse Gruev." Porque o imageador bioinspirado pode revelar fluorescência que está profundamente no tecido, acelerou o processo de identificação dos linfonodos e ajudou os cirurgiões a encontrar os linfonodos que não podiam ser vistos apenas pela visão. "

De acordo com os pesquisadores, o imageador bioinspirado seria útil para a remoção de vários tipos de câncer, incluindo melanomas, câncer de próstata e câncer de cabeça e pescoço. Devido ao seu pequeno tamanho, ele também pode ser integrado a um endoscópio para procurar câncer durante uma colonoscopia, por exemplo.

"Uma grande vantagem de nosso instrumento é seu tamanho compacto, "disse Garcia." Testamos nosso instrumento em um hospital onde o espaço era apertado e vimos que ele não interferia no fluxo de trabalho cirúrgico. "

Os pesquisadores agora estão formando uma empresa start-up para comercializar seu imageador bioinspirado e também estão trabalhando com o FDA para projetar um ensaio clínico no qual os cirurgiões possam comparar as decisões clínicas feitas com o novo imageador com aquelas que seriam feitas com o aprovado pelo FDA imagers.