Existem muitas criaturas em nosso planeta com sentidos mais avançados que os humanos. As tartarugas podem sentir o campo magnético da Terra. O camarão louva-a-deus pode detectar luz polarizada. Os elefantes podem ouvir frequências muito mais baixas do que os humanos. As borboletas podem perceber uma gama mais ampla de cores, incluindo luz ultravioleta (UV).



Inspirado no sistema visual aprimorado da borboleta Papilio xuthus, uma equipe de pesquisadores desenvolveu um sensor de imagem capaz de “ver” a faixa UV inacessível aos olhos humanos. O design do sensor usa fotodiodos empilhados e nanocristais de perovskita (PNCs) capazes de gerar imagens de diferentes comprimentos de onda na faixa UV. Utilizando as assinaturas espectrais de marcadores biomédicos, como aminoácidos, esta nova tecnologia de imagem é ainda capaz de diferenciar entre células cancerígenas e células normais com 99% de confiança.

Esta nova pesquisa, liderada pelo professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, Viktor Gruev, e pelo professor de bioengenharia Shuming Nie, foi publicada recentemente na revista Science Advances. .

Pequenas variações

“Nos inspiramos no sistema visual das borboletas, que são capazes de perceber múltiplas regiões do espectro UV, e projetamos uma câmera que replica essa funcionalidade”, diz Gruev. "Fizemos isso usando novos nanocristais de perovskita, combinados com tecnologia de imagem de silício, e esta nova tecnologia de câmera pode detectar múltiplas regiões UV."

A luz UV é uma radiação eletromagnética com comprimentos de onda mais curtos que os da luz visível (mas mais longos que os raios X). Estamos mais familiarizados com a radiação UV do sol e os perigos que ela representa para a saúde humana. A luz UV é categorizada em três regiões diferentes – UVA, UVB e UVC – com base em diferentes faixas de comprimento de onda. Como os humanos não conseguem ver a luz UV, é um desafio capturar informações UV, especialmente discernindo as pequenas diferenças entre cada região.

As borboletas, no entanto, podem ver essas pequenas variações no espectro UV, assim como os humanos podem ver tons de azul e verde. Gruev observa:"É intrigante para mim como eles conseguem ver essas pequenas variações. A luz ultravioleta é incrivelmente difícil de capturar, ela simplesmente é absorvida por tudo, e as borboletas conseguiram fazer isso extremamente bem."

O Jogo da Imitação

Os humanos têm visão tricromática com três fotorreceptores, onde cada cor percebida pode ser composta por uma combinação de vermelho, verde e azul. As borboletas, entretanto, possuem olhos compostos, com seis (ou mais) classes de fotorreceptores com sensibilidades espectrais distintas. Em particular, o Papilio xuthus, uma borboleta amarela com rabo de andorinha asiática, não possui apenas receptores azuis, verdes e vermelhos, mas também violetas, ultravioletas e de banda larga. Além disso, as borboletas possuem pigmentos fluorescentes que lhes permitem converter a luz UV em luz visível, que pode então ser facilmente detectada pelos seus fotorreceptores. Isso permite que eles percebam uma gama mais ampla de cores e detalhes em seu ambiente.

Além do aumento do número de fotorreceptores, as borboletas também exibem uma estrutura em camadas única em seus fotorreceptores. Para replicar o mecanismo de detecção de UV da borboleta Papilio xuthus, a equipe da UIUC emulou o processo combinando uma fina camada de PNCs com um conjunto escalonado de fotodiodos de silício.

PNCs são uma classe de nanocristais semicondutores que apresentam propriedades únicas semelhantes às dos pontos quânticos – alterar o tamanho e a composição da partícula altera as propriedades de absorção e emissão do material. Nos últimos anos, os PNCs surgiram como um material interessante para diferentes aplicações de detecção, como células solares e LEDs. Os PNCs são extremamente bons na detecção de comprimentos de onda UV (e ainda mais baixos) que os detectores de silício tradicionais não são. No novo sensor de imagem, a camada PNC é capaz de absorver fótons UV e reemitir luz no espectro visível (verde), que é então detectada pelos fotodiodos de silício em camadas. O processamento destes sinais permite o mapeamento e identificação de assinaturas UV.

Cuidados de saúde e muito mais

Existem vários marcadores biomédicos presentes em tecidos cancerosos em concentrações mais elevadas do que em tecidos saudáveis ​​– aminoácidos (blocos de construção de proteínas), proteínas e enzimas. Quando excitados com luz UV, esses marcadores acendem e fluorescem no UV e em parte do espectro visível, em um processo denominado autofluorescência. “A imagem na região UV tem sido limitada e eu diria que esse tem sido o maior obstáculo para o progresso científico”, explica Nie. "Agora criamos esta tecnologia onde podemos obter imagens da luz UV com alta sensibilidade e também distinguir pequenas diferenças de comprimento de onda."

Como as células cancerígenas e saudáveis ​​têm diferentes concentrações de marcadores e, portanto, diferentes assinaturas espectrais, as duas classes de células podem ser diferenciadas com base na sua fluorescência no espectro UV. A equipe avaliou seu dispositivo de imagem quanto à sua capacidade de discriminar marcadores relacionados ao câncer e descobriu que ele é capaz de diferenciar células cancerosas de células saudáveis ​​com 99% de confiança.

Gruev, Nie e sua equipe de pesquisa colaborativa pretendem poder usar esse sensor durante a cirurgia. Um dos maiores desafios é saber quanto tecido remover para garantir margens claras e tal sensor pode ajudar a facilitar o processo de tomada de decisão quando um cirurgião está removendo um tumor cancerígeno.

“Esta nova tecnologia de imagem está nos permitindo diferenciar células cancerosas de células saudáveis ​​e está abrindo novas e interessantes aplicações além da saúde”, diz Nie. Existem muitas outras espécies além das borboletas capazes de ver no UV, e ter uma forma de detectar essa luz proporcionará oportunidades interessantes para os biólogos aprenderem mais sobre estas espécies, tais como os seus hábitos de caça e acasalamento. Colocar o sensor debaixo d'água também pode ajudar a compreender melhor esse ambiente. Embora muitos raios UV sejam absorvidos pela água, ainda há o suficiente para causar impacto e há muitos animais debaixo d’água que também veem e usam luz UV.

Mais informações: Cheng Chen et al, Sensores de imagem CMOS bioinspirados, empilhados verticalmente e com nanocristais de perovskita aprimorados para resolução de assinaturas espectrais UV, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk3860. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3860
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois