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A microscopia fotoacústica de resolução óptica é uma técnica de imagem biomédica emergente para estudar uma ampla gama de doenças, como câncer, diabetes e acidente vascular cerebral. Mas a sua sensibilidade insuficiente tem sido um obstáculo de longa data à sua aplicação mais ampla. Recentemente, uma equipe de pesquisa da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu um sistema de microscopia fotoacústica multiespectral de dose superbaixa com uma melhoria significativa no limite de sensibilidade do sistema, permitindo novas aplicações biomédicas e tradução clínica no futuro.
A microscopia fotoacústica é uma técnica de imagem biomédica que combina detecção de ultrassom e sinais fotoacústicos induzidos por laser para criar imagens detalhadas de tecido biológico. Quando o tecido biológico é irradiado com um laser pulsado, ele gera ondas ultrassônicas, que são então detectadas e convertidas em sinais elétricos para geração de imagens. Esta técnica que chama a atenção pode atingir resolução de nível capilar ou subcelular em profundidades maiores do que os métodos tradicionais de microscopia óptica. No entanto, a sensibilidade insuficiente dificultou a aplicação mais ampla da tecnologia.
“A alta sensibilidade é importante para imagens de alta qualidade. E ajuda a detectar cromóforos (moléculas que conferem cor aos materiais ao absorver comprimentos de onda específicos da luz visível) que não absorvem fortemente a luz. Também ajuda a diminuir o fotobranqueamento e a fototoxicidade, reduzir a perturbação no tecidos biológicos de órgãos delicados e ampliar as opções de lasers de baixo custo e baixa potência em um amplo espectro”, explicou o professor Wang Lidai, professor associado do Departamento de Engenharia Biomédica da CityU.
Por exemplo, em um exame oftalmológico, prefere-se um laser de baixa potência para maior segurança e conforto. O monitoramento de longo prazo da farmacocinética ou do fluxo sanguíneo requer imagens de baixas doses para aliviar a perturbação nas funções dos tecidos, acrescentou.
Para superar o desafio da sensibilidade, o professor Wang e sua equipe de pesquisa desenvolveram recentemente um sistema de microscopia fotoacústica multiespectral de dose superbaixa (SLD-PAM), que ultrapassa o limite de sensibilidade da microscopia fotoacústica tradicional, melhorando significativamente a sensibilidade em cerca de 33 vezes.
Eles alcançaram a inovação combinando a melhoria no design do sensor fotoacústico e a inovação de um algoritmo de filtro espectral-espacial 4D para computação. Eles melhoraram o design do sensor usando uma lente acústica de alta abertura numérica personalizada em laboratório, otimizando o combinador de feixe óptico e acústico e melhorando o alinhamento óptico e acústico. O SLD-PAM também utiliza um laser pulsado de múltiplos comprimentos de onda de baixo custo, fornecendo 11 comprimentos de onda, variando da luz verde à vermelha. O laser opera em uma frequência de repetição de até megahertz e o tempo de comutação espectral é em submicrossegundos.
Para demonstrar a importância e a novidade do SLD-PAM, a equipe o testou exaustivamente por meio de na Vivo imagens de animais com energia de pulso superbaixa com fontes de luz verde e vermelha, resultando em descobertas notáveis.
Primeiro, o SLD-PAM permitiu alta qualidade na Vivo imagens anatômicas e funcionais. A potência superbaixa do laser e a alta sensibilidade reduziram significativamente as perturbações nas imagens oculares e cerebrais, abrindo caminho para a tradução clínica. Em segundo lugar, sem comprometer a qualidade da imagem, o SLD-PAM reduziu o fotobranqueamento em cerca de 85%, utilizando menor potência do laser, e permitiu o uso de uma gama muito mais ampla de sondas moleculares e nano-sondas. Além disso, o custo do sistema é significativamente menor, tornando-o mais acessível para laboratórios de pesquisa e clínicas.
“O SLD-PAM permite imagens não invasivas de tecido biológico com danos mínimos aos indivíduos, oferecendo uma ferramenta poderosa e promissora para imagens anatômicas, funcionais e moleculares”, disse o professor Wang. “Acreditamos que o SLD-PAM pode ajudar a avançar nas aplicações de imagens fotoacústicas, permitir inúmeras novas aplicações biomédicas e abrir um novo caminho para a tradução clínica.”
Em seguida, o professor Wang e sua equipe de pesquisa testarão uma gama mais ampla de pequenas moléculas e biomarcadores geneticamente codificados em imagens biológicas usando o sistema SLD-PAM. Eles também planejam adotar mais tipos de fontes de luz de baixa potência em espectros mais amplos para desenvolver microscopia vestível ou portátil.
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