Pesquisadores do MIT descobriram um fenômeno paradoxal na física óptica que pode viabilizar um novo método de bioimagem mais rápido e com maior resolução do que a tecnologia existente.

Eles descobriram que, sob as condições certas, uma confusão caótica de luz laser pode se auto-organizar espontaneamente em um "feixe de lápis" altamente focado.

Utilizando esse feixe de luz auto-organizado, os pesquisadores capturaram imagens 3D da barreira hematoencefálica humana 25 vezes mais rápido do que o método padrão, mantendo uma resolução comparável.

Ao mostrar células individuais absorvendo medicamentos em tempo real, essa tecnologia pode ajudar os cientistas a testar se novos medicamentos para doenças neurodegenerativas, como Alzheimer ou ELA, atingem seus alvos no cérebro com maior rapidez e precisão.

“A crença comum na área é que, se você aumentar a potência desse tipo de laser, a luz inevitavelmente se tornará caótica. Mas provamos que não é esse o caso. Seguimos as evidências, abraçamos a incerteza e encontramos uma maneira de permitir que a luz se organize em uma nova solução para bioimagem”, diz Sixian You, professor assistente do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT, membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica e autor sênior de um artigo sobre essa técnica de imagem.

Ela é acompanhada no artigo pelo autor principal Honghao Cao, um estudante de pós-graduação em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS); pelos estudantes de pós-graduação em EECS Li-Yu Yu e Kunzan Liu; pelos pós-doutorandos Sarah Spitz, Francesca Michela Pramotton e Federico Presutti; por Zhengyu Zhang, PhD '24; por Subhash Kulkarni, professor assistente da Universidade de Harvard e do Beth Israel Deaconess Medical Center; e por Roger Kamm, professor titular da Cátedra Cecil e Ida Green de Engenharia Biológica e Mecânica do MIT. O artigo foi publicado hoje na Nature Methods .

A descoberta começou com uma observação que inicialmente intrigou os pesquisadores.

A equipe já havia desenvolvido um  modelador de fibra de alta precisão , um dispositivo que permite ajustar cuidadosamente a luz laser que passa por uma fibra óptica multimodo. Esse tipo de fibra óptica pode transportar uma quantidade significativa de energia.

Cao estava levando a fibra multimodo ao seu limite para ver quanta energia ela conseguia suportar.

Normalmente, quanto mais energia é injetada no laser, mais desordenado e disperso se torna o feixe de luz devido às imperfeições na fibra.

Mas Cao observou que, ao aumentar a potência quase até o ponto de queimar a fibra, a luz fazia o oposto do esperado: colapsava em um único feixe extremamente fino.

“A desordem é intrínseca a essas fibras. A engenharia de luz que normalmente é necessária para superar essa desordem, especialmente em alta potência, é um problema antigo. Mas com essa auto-organização, você pode obter um feixe fino estável e ultrarrápido sem a necessidade de componentes personalizados de modelagem de feixe”, diz You.

Para replicar esse fenômeno, os pesquisadores descobriram que precisavam satisfazer duas condições simples, porém precisas.

Primeiro, o laser deve incidir na fibra em um ângulo perfeito de zero grau. Este é um requisito mais rigoroso do que o normalmente utilizado para esse tipo de fibra. Segundo, a potência deve ser aumentada até que a luz comece a interagir com o próprio vidro da fibra.

“Nessa potência crítica, a não linearidade pode contrabalançar a desordem intrínseca, criando um equilíbrio que transforma o feixe de entrada em um feixe fino auto-organizado”, explica Cao.

Normalmente, os pesquisadores realizam esses experimentos em níveis de potência muito mais baixos por receio de danificar a fibra, caso em que não observariam essa auto-organização. Além disso, um alinhamento tão preciso no eixo geralmente não é necessário, visto que uma fibra multimodo pode transportar muita potência.

Mas, em conjunto, essas duas técnicas podem gerar um feixe de luz estável e concentrado sem a necessidade de métodos complexos de engenharia de luz.

“Essa é a beleza desse método — você pode fazer isso com uma configuração óptica normal e sem muita experiência na área”, diz You.

Quando os pesquisadores realizaram experimentos de caracterização desse feixe fino, ele se mostrou mais estável e com maior resolução do que muitos feixes semelhantes. Outros feixes frequentemente sofrem com "lóbulos laterais" — halos de luz desfocados que podem distorcer as imagens.

O feixe de luz deles era mais nítido e bem focado.

Com base nesses experimentos, os pesquisadores demonstraram o uso desse feixe fino em imagens biomédicas da barreira hematoencefálica humana.

Essa barreira é uma camada densa de células que protege o cérebro de toxinas, mas também bloqueia muitos medicamentos. Cientistas e médicos frequentemente desejam observar como os fármacos fluem dentro da vasculatura da barreira hematoencefálica e se atingem seus alvos no cérebro.

Mas, com as configurações ópticas padrão, o melhor que se pode fazer é capturar uma seção 2D da vasculatura de cada vez e, em seguida, repetir o processo várias vezes para gerar uma imagem mais completa, explica You.

Utilizando essa nova técnica, os pesquisadores criaram um feixe de luz ultrarrápido e de alta precisão que lhes permitiu rastrear dinamicamente como as células absorvem proteínas em tempo real.

“A indústria farmacêutica está particularmente interessada em usar modelos baseados em humanos para rastrear medicamentos que efetivamente cruzem a barreira hematoencefálica, já que os modelos animais muitas vezes não conseguem prever o que acontece em humanos. O fato de esse novo método não exigir que as células tenham um marcador fluorescente é revolucionário. Pela primeira vez, podemos visualizar a entrada de medicamentos no cérebro ao longo do tempo e até mesmo identificar a taxa na qual tipos celulares específicos internalizam o medicamento”, afirma Kamm.

“É importante ressaltar, no entanto, que essa abordagem não se limita à barreira hematoencefálica, mas permite o rastreamento temporal de diversos compostos e alvos moleculares em modelos de tecido projetados, fornecendo uma ferramenta poderosa para a engenharia biológica”, acrescenta Spitz.

A equipe capturou imagens 3D em nível celular com qualidade superior às obtidas por outros métodos, e gerou essas imagens cerca de 25 vezes mais rápido.

“Normalmente, existe uma relação inversa entre a resolução da imagem e a profundidade de foco — você só consegue sondar até certo ponto de cada vez. Mas com o nosso método, podemos superar essa relação inversa criando um feixe fino com alta resolução e grande profundidade de foco”, diz You.

No futuro, os pesquisadores querem compreender melhor a física fundamental do feixe de laser e os mecanismos por trás de sua auto-organização. Eles também planejam aplicar a técnica a outros cenários, como a obtenção de imagens de neurônios no cérebro, e trabalhar para a comercialização da tecnologia.

“Seu grupo percebeu que esse feixe, que concentra energia no tempo e no espaço, poderia ser valioso para técnicas de microscopia que dependem da intensidade da luz que ilumina a amostra. Eles demonstraram exatamente isso e encontraram vantagens sobre os feixes de laser comuns para a formação de imagens. Será cientificamente interessante compreender completamente a criação dos novos feixes concentrados, que podem ser úteis em diversas aplicações de imagem”, afirma Frank Wise, professor emérito de Engenharia Samuel B. Eckert da Universidade Cornell, que não participou deste trabalho.

Este trabalho foi financiado por fundos de startups do MIT, pelo programa de Desenvolvimento de Pesquisa da Novo Nordisk, por um prêmio CAREER da Fundação Nacional de Ciência (NSF), pelo programa CZI Dynamic Imaging, através do fundo de doadores Chan Zuckerberg administrado pela Silicon Valley Community Foundation, pela Fundação Manton e pelo Fundo de Ciência da Menstruação Fairbairn.