Nova técnica deixa a pele invisível

Pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de ver órgãos dentro de um corpo ao tornar tecidos sobrejacentes transparentes à luz visível. O processo contraintuitivo — uma aplicação tópica de corante seguro para alimentos — foi reversível em testes com animais e pode, em última análise, ser aplicado a uma ampla gama de diagnósticos médicos, desde a localização de ferimentos até o monitoramento de distúrbios digestivos e a identificação de cânceres.

Pesquisadores da Universidade de Stanford publicaram a pesquisa, intitulada “Alcançando transparência óptica em animais vivos com moléculas absorventes”, na edição de 6 de setembro de 2024 da Ciência.

“Olhando para o futuro, essa tecnologia pode tornar as veias mais visíveis para a coleta de sangue, facilitar a remoção de tatuagens a laser ou auxiliar na detecção precoce e no tratamento de cânceres”, disse o professor assistente de ciência dos materiais e engenharia da Universidade de Stanford, Guosong Hong, que ajudou a liderar esse trabalho.

“Por exemplo, certas terapias usam lasers para eliminar células cancerígenas e pré-cancerígenas, mas são limitadas a áreas próximas à superfície da pele. Essa técnica pode ser capaz de melhorar essa penetração de luz.”

Uma solução iluminadora

Para dominar a nova técnica, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de prever como a luz interage com tecidos biológicos tingidos.

Essas previsões exigiam uma compreensão profunda da dispersão da luz, bem como do processo de refração, onde a luz muda de velocidade e se curva à medida que viaja de um material para outro.

A dispersão é a razão pela qual não conseguimos enxergar através do nosso corpo: gorduras, fluidos dentro das células, proteínas e outros materiais têm um índice de refração diferente, uma propriedade que determina o quanto uma onda de luz incidente será curvada.

Na maioria dos tecidos, esses materiais são compactados juntos, então os índices de refração variados fazem com que a luz se espalhe conforme ela passa. É o efeito de dispersão que nossos olhos interpretam como materiais biológicos opacos e coloridos.

Os pesquisadores perceberam que se quisessem tornar o material biológico transparente, eles teriam que encontrar uma maneira de combinar os diferentes índices de refração para que a luz pudesse viajar sem impedimentos.

Com base em insights fundamentais do campo da óptica, os pesquisadores perceberam que os corantes que são mais eficazes na absorção de luz também podem ser altamente eficazes no direcionamento uniforme da luz por uma ampla gama de índices de refração.

Um corante que os pesquisadores previram que seria particularmente eficaz foi a tartrazina, o corante alimentício mais comumente conhecido como FD&C Amarelo 5. Acontece que eles estavam certos: quando dissolvidas em água e absorvidas pelos tecidos, as moléculas de tartrazina são perfeitamente estruturadas para corresponder aos índices de refração e evitar a dispersão da luz, resultando em transparência.

Os pesquisadores testaram suas previsões primeiro com fatias finas de peito de frango. Conforme as concentrações de tartrazina aumentavam, o índice de refração do fluido dentro das células musculares subia até corresponder ao índice de refração das proteínas musculares — a fatia se tornava transparente.

Em seguida, os pesquisadores esfregaram suavemente uma solução temporária de tartrazina em camundongos. Primeiro, eles aplicaram a solução no couro cabeludo, tornando a pele transparente para revelar vasos sanguíneos cruzando o cérebro. Em seguida, eles aplicaram a solução no abdômen, que desapareceu em minutos para mostrar contrações do intestino e movimentos causados ​​por batimentos cardíacos e respiração.

A técnica resolveu características na escala de mícrons e até mesmo melhorou observações de microscópio. Quando o corante foi enxaguado, os tecidos rapidamente retornaram à opacidade normal. A tartrazina não pareceu ter efeitos de longo prazo, e qualquer excesso foi excretado nos resíduos em 48 horas.

Os pesquisadores suspeitam que a injeção do corante deve levar a visões ainda mais profundas dentro dos organismos, com implicações tanto para a biologia quanto para a medicina.

Fórmulas antigas abrem novas janelas para a medicina

O projeto começou como uma investigação sobre como a radiação de microondas interage com os tecidos biológicos.

Ao explorar livros didáticos de óptica das décadas de 1970 e 1980, os pesquisadores encontraram dois conceitos-chave: equações matemáticas chamadas relações de Kramers-Kronig e um fenômeno chamado oscilação de Lorentz, em que elétrons e átomos ressoam dentro das moléculas à medida que os fótons passam.

Bem estudadas por mais de um século, mas ainda não aplicadas à medicina dessa forma, as ferramentas provaram ser ideais para prever como um determinado corante pode aumentar o índice de refração de fluidos biológicos para corresponder perfeitamente às gorduras e proteínas circundantes.

O pesquisador de pós-graduação Nick Rommelfanger, trabalhando com uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da NSF, foi um dos primeiros a perceber que as mesmas modificações que tornam os materiais transparentes às micro-ondas poderiam ser adaptadas para impactar o espectro visível, com potenciais aplicações na medicina.

Uma molécula entre muitas

Na transição da teoria para a experimentação, o pesquisador de pós-doutorado Zihao Ou, principal autor do estudo, encomendou uma série de corantes fortes e começou o processo de avaliação meticulosa de cada um deles quanto às propriedades ópticas ideais.

No final, a equipe cresceu para 21 alunos, colaboradores e orientadores, envolvendo vários sistemas analíticos.

Um que se mostrou crítico foi um elipsômetro com décadas de uso, aninhado entre equipamentos mais novos nas Stanford Nano Shared Facilities, parte da NSF National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI).

O elipsômetro é uma ferramenta familiar à fabricação de semicondutores, não à biologia. No entanto, em uma possível novidade para a medicina, os pesquisadores perceberam que era perfeito para prever as propriedades ópticas de seus corantes alvo.

“As instalações de pesquisa avançada buscam constantemente encontrar o equilíbrio certo, fornecendo acesso a ferramentas básicas e conhecimento especializado, ao mesmo tempo em que abrem espaço para instrumentação mais nova, maior e mais poderosa”, disse o diretor do programa da NSF, Richard Nash, que supervisiona o NNCI da NSF.

“Embora um instrumento básico como um elipsômetro raramente faça manchetes, ele pode desempenhar um papel crucial quando implantado para usos atípicos como o caso aqui. O acesso aberto a tal instrumentação é fundamental para fazer descobertas inovadoras, pois esses instrumentos podem ser implantados de novas maneiras para gerar insights fundamentais sobre fenômenos científicos.”

Com métodos baseados na física fundamental, os pesquisadores esperam que sua abordagem lance um novo campo de estudo combinando corantes com tecidos biológicos com base em propriedades ópticas, o que pode levar a uma ampla gama de aplicações médicas.

“Como especialista em óptica, estou surpreso com o quanto eles conseguiram explorar o relacionamento Kramers-Konig”, disse o diretor do programa da NSF, Adam Wax, que apoiou o trabalho de Hong.

“Todo estudante de óptica aprende sobre elas, mas esta equipe usou as equações para descobrir como um corante fortemente absorvente pode tornar a pele transparente. … Hong conseguiu seguir em uma nova direção ousada, um ótimo exemplo de como o conhecimento fundamental da óptica pode ser usado para criar novas tecnologias, inclusive na biomedicina.”