Novas ferramentas fotônicas para imagens médicas podem ser usadas para entender o comportamento não linear da luz laser no sangue humano para aplicações teranósticas. Quando a luz entra nos fluidos biológicos, ela é rapidamente espalhada, Contudo, algumas suspensões de células podem induzir respostas não lineares em feixes de laser para autofoco e aumentar a penetração da luz para aplicações biomédicas como um marcador quantificável de doença. Em um estudo recente agora publicado em Luz:Ciência e Aplicações , Rekha Gautam e seus colegas da San Francisco State University e uma equipe internacional de colegas de trabalho mostraram que um feixe de laser que brilha através de suspensões de glóbulos vermelhos pode se tornar "auto-aprisionado". O processo reduziu a dispersão de luz para reter a potência do feixe de luz laser dentro das amostras biológicas.

A não linearidade observada dependeu das condições osmóticas e da idade das amostras. Os cientistas propõem o uso da técnica para diagnosticar a anemia falciforme ou malária; doenças que afetam o tamanho e a forma das células sanguíneas. As condições osmóticas desempenham um papel importante nas propriedades dos glóbulos vermelhos humanos (RBCs), cruciais durante a análise da doença. Numerosos esforços na última década se concentraram no estudo das propriedades biomecânicas de hemácias suspensas em várias soluções osmóticas.

No presente trabalho, Gautam et al. determinou a propagação não linear resistente ao auto-aprisionamento e ao espalhamento de um feixe de laser através de três diferentes soluções / condições osmóticas. Os resultados mostraram que a força da não linearidade óptica aumentou com a pressão osmótica nas células. Interessantemente, em amostras de sangue envelhecidas com células lisadas, o comportamento não linear foi notavelmente diferente devido à presença de hemoglobina livre. Para explicar as observações experimentais, Gautam et al. usou um modelo teórico com uma não linearidade não local mediada por força óptica. O presente trabalho sobre auto-guiando luz através de matéria biológica mole espalhada pode introduzir novas ferramentas fotônicas para imagens biomédicas não invasivas e diagnóstico médico.

RBCs humanos são células maleáveis ​​em forma de disco que possuem um índice de refração espacialmente uniforme, pois não têm núcleos, ao contrário da maioria das organelas. e apresentam deformabilidade distinta para passagem por veias e microcapilares. A mudança de forma pode ser solicitada pela modificação da osmolaridade do tampão líquido circundante para usar RBCs como microlentes optofluídicas ajustáveis. As propriedades ópticas dos eritrócitos são importantes para o diagnóstico de doenças in vitro e in vivo, nos quais o índice de refração dos eritrócitos é determinado pela hemoglobina (Hb) - a maior parte do conteúdo seco dos eritrócitos por peso. Como resultado, se o volume celular diminuiu devido a condições osmóticas variáveis, o índice de refração aumentou.

Condições fisiopatológicas, como anemia falciforme, malária e sepse estão frequentemente relacionadas às propriedades físicas dos eritrócitos, sua forma e tamanho. As características fundamentais dos índices de refração e formas celulares variáveis ​​permitem que os RBCs reajam às mudanças em diferentes ambientes osmóticos, tornando-os candidatos ideais para estudar a dispersão da luz. No presente trabalho, Gautam et al. mostrou auto-aprisionamento não linear de luz através de uma distância centimétrica de propagação por dispersão de suspensões de RBC. Quando eles aumentaram a potência do feixe de laser, eles mostraram o feixe com autofoco dramático em todas as três condições osmóticas - muito parecido com os solitons espaciais ópticos (pacotes de ondas autocaptadas não lineares). As forças ópticas que mudam com a densidade e morfologia celular podem fornecer ferramentas não invasivas para classificar diversas células, de acordo com um estágio específico de uma determinada doença.

Os cientistas obtiveram amostras de sangue de doadores anônimos para os experimentos. No primeiro conjunto de experimentos, eles usaram um feixe de laser de onda contínua polarizada linearmente (CW) com um comprimento de onda de 532 nm. Eles focalizaram a luz em uma cubeta de vidro de 3 cm de comprimento cheia de suspensões de RBC em diversas condições osmóticas, conforme descrito anteriormente. Eles monitoraram as saídas lineares e não lineares da amostra usando uma câmera CCD e detector de energia, e mediu os diâmetros do feixe usando o programa Beamview. O feixe primeiro difratou normalmente a uma baixa potência de 10 mW e experimentou um forte espalhamento depois disso devido à distribuição aleatória de RBCs de formato não esférico.

Gautam et al. em seguida, mediu a transmissão normalizada do laser (potência de saída / entrada) como uma função da potência do feixe de entrada. Em soluções hipotônicas, eles observaram que os eritrócitos estavam em um estado "inchado", onde o índice de refração efetivo das células diminuía à medida que a proporção água-Hb aumentava. Em contraste, na solução hipertônica, os cientistas observaram que os RBCs encolheram, e seu índice efetivo aumentou devido à redução da relação água-Hb. Em uma terceira solução isotônica, as células exibiram um estado "normal", em que os RBCs apresentaram comportamento intermediário. Quando os experimentos foram realizados com as mesmas amostras de sangue duas semanas depois, os cientistas observaram resultados notavelmente diferentes nos quais o foco não linear aumentou dramaticamente para a solução hipertônica.

Em um segundo conjunto de experimentos, os cientistas usaram um sistema de pinça óptica feito em casa para medir a força do gradiente óptico em RBCs. Gautam et al. coletou a luz de dispersão direta das células presas com uma lente de condensador e posteriormente focou em um detector sensível à posição (PSD). Eles calcularam a rigidez e a força do gradiente nas três soluções separadas. Para simplificar as medições, Gautam et al. trataram hemácias hipotônicas e hipertônicas como objetos em forma de disco. Eles usaram uma câmera CCD para registrar os movimentos das células das três soluções diferentes, juntamente com um microscópio com duas objetivas, onde a configuração foi conduzida usando um feixe de laser de 960 nm. Os resultados ilustraram o movimento das células contra o movimento browniano sob a ação de forças ópticas com base nas condições da célula (forma, tamanho) e sua capacidade de captura do feixe. Gautam et al. estimou a força de aprisionamento usando a equação de Langevin e informou que a força seguiu uma tendência de hipertonia> isotônico> condições hipotônicas.

Os cientistas desenvolveram então um modelo para simular a propagação de feixes não lineares em matéria biológica mole, a fim de compreender a física da não linearidade mediada por força óptica. Eles modelaram a evolução temporal da distribuição da concentração de partículas usando uma equação de difusão-advecção e consideraram a presença de uma força de espalhamento para frente para empurrar as partículas ao longo da direção de propagação do feixe, ao lado da força do gradiente óptico. Gautam et al. calculou a mudança no tamanho do feixe para os diferentes parâmetros de gradiente e força de espalhamento para simular os efeitos de autofocalização não lineares sob diferentes condições de buffer. Eles registraram a mudança de tamanho, índices de volume e refração de RBCs sob diversas condições osmóticas que foram responsáveis ​​pela magnitude variável das forças ópticas que modificaram a não linearidade óptica. Os resultados simulados foram qualitativamente consistentes com as observações experimentais.

Desta maneira, Gautam et al. estudaram a propagação de feixe não linear em RBCs humanos suspensos em três soluções tampão diversas. Eles descobriram que os RBCs exibiam uma forte não linearidade de autofocalização que poderia ser controlada quimicamente com base na solução tampão. Eles, portanto, propõem o ajuste da não linearidade óptica por meio de osmose e aumento da pressão osmótica, fora das células em amostras de sangue fresco. Quando as amostras envelheceram, a hemoglobina livre dos eritrócitos lisados ​​desempenhou um papel ativo na não linearidade óptica observada e aumentou a resposta não linear em condições hipotônicas.

Usando microscopia de vídeo direta e medições de pinça óptica, os cientistas mostraram que a força de captura do feixe era maior para hemácias em condições hipertônicas e mais fraca para soluções hipotônicas. Os cientistas introduziram um modelo teórico para validar os efeitos experimentais observados. O trabalho introduzirá uma nova perspectiva no desenvolvimento de ferramentas de diagnóstico, pois os resultados são muito promissores para o desenvolvimento de terapias de tratamento a laser para doenças relacionadas ao sangue.

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