Usando essa abordagem, os pesquisadores podem mapear como a luz se espalha em ambientes opacos. — ScienceDaily

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Usando um sensor de ressonância magnética especializado, os pesquisadores do MIT mostraram que podem detectar a luz em tecidos profundos, como o cérebro.

A obtenção de imagens de luz em tecidos profundos é extremamente difícil porque, à medida que a luz viaja para o tecido, grande parte dela é absorvida ou espalhada. A equipe do MIT superou esse obstáculo ao projetar um sensor que converte a luz em um sinal magnético que pode ser detectado por ressonância magnética (MRI).

Esse tipo de sensor poderia ser usado para mapear a luz emitida por fibras ópticas implantadas no cérebro, como as usadas para estimular neurônios em experimentos de optogenética. Com mais desenvolvimento, também pode ser útil para monitorar pacientes que recebem terapias baseadas em luz para o câncer, dizem os pesquisadores.

“Podemos imaginar a distribuição da luz no tecido, e isso é importante porque as pessoas que usam a luz para estimular o tecido ou para medir a partir do tecido geralmente não sabem para onde a luz está indo, para onde estão estimulando ou onde a luz está. Nossa ferramenta pode ser usada para abordar essas incógnitas”, diz Alan Jasanoff, professor de engenharia biológica, cérebro e ciências cognitivas do MIT e ciência e engenharia nuclear.

Jasanoff, que também é pesquisador associado do McGovern Institute for Brain Research do MIT, é o autor sênior do estudo, publicado hoje na revista Natureza Engenharia Biomédica. Jacob Simon PhD ’21 e pós-doutorado do MIT Miriam Schwalm são os principais autores do artigo, e Johannes Morstein e Dirk Trauner, da Universidade de Nova York, também são autores do artigo.

Uma sonda sensível à luz

Os cientistas têm usado a luz para estudar células vivas por centenas de anos, desde o final dos anos 1500, quando o microscópio de luz foi inventado. Esse tipo de microscopia permite que os pesquisadores examinem o interior das células e fatias finas de tecido, mas não profundamente dentro de um organismo.

“Um dos problemas persistentes no uso da luz, especialmente nas ciências da vida, é que ela não consegue penetrar muito bem em muitos materiais”, diz Jasanoff. “Materiais biológicos absorvem luz e espalham luz, e a combinação dessas coisas nos impede de usar a maioria dos tipos de imagens ópticas para qualquer coisa que envolva foco em tecidos profundos”.

Para superar essa limitação, Jasanoff e seus alunos decidiram projetar um sensor que pudesse transformar a luz em um sinal magnético.

“Queríamos criar um sensor magnético que respondesse à luz localmente e, portanto, não estivesse sujeito à absorção ou dispersão. Então, este detector de luz pode ser visualizado usando ressonância magnética”, diz ele.

O laboratório de Jasanoff já havia desenvolvido sondas de ressonância magnética que podem interagir com uma variedade de moléculas no cérebro, incluindo dopamina e cálcio. Quando essas sondas se ligam a seus alvos, isso afeta as interações magnéticas dos sensores com o tecido circundante, escurecendo ou iluminando o sinal de ressonância magnética.

Para fazer uma sonda de ressonância magnética sensível à luz, os pesquisadores decidiram envolver partículas magnéticas em uma nanopartícula chamada lipossoma. Os lipossomas usados ​​neste estudo são feitos de lipídios sensíveis à luz especializados que Trauner havia desenvolvido anteriormente. Quando esses lipídios são expostos a um determinado comprimento de onda de luz, os lipossomas tornam-se mais permeáveis ​​à água, ou “permeáveis”. Isso permite que as partículas magnéticas internas interajam com a água e gerem um sinal detectável por ressonância magnética.

As partículas, que os pesquisadores chamaram de repórteres de nanopartículas lipossomais (LisNR), podem mudar de permeáveis ​​para impermeáveis, dependendo do tipo de luz a que são expostas. Neste estudo, os pesquisadores criaram partículas que vazam quando expostas à luz ultravioleta e tornam-se impermeáveis ​​novamente quando expostas à luz azul. Os pesquisadores também mostraram que as partículas podem responder a outros comprimentos de onda da luz.

“Este artigo mostra um novo sensor para permitir a detecção de fótons com ressonância magnética através do cérebro. Este trabalho esclarecedor introduz um novo caminho para unir estudos de neuroimagem baseados em fótons e prótons”, disse Xin Yu, professor assistente de radiologia na Harvard Medical School, que foi não envolvido no estudo.

Luz de mapeamento

Os pesquisadores testaram os sensores no cérebro de ratos – especificamente, em uma parte do cérebro chamada estriado, que está envolvida no planejamento do movimento e na resposta à recompensa. Depois de injetar as partículas em todo o estriado, os pesquisadores conseguiram mapear a distribuição da luz de uma fibra óptica implantada nas proximidades.

A fibra que eles usaram é semelhante àquela usada para estimulação optogenética, então esse tipo de detecção pode ser útil para pesquisadores que realizam experimentos optogenéticos no cérebro, diz Jasanoff.

“Não esperamos que todo mundo que faz optogenética use isso para todos os experimentos – é mais algo que você faria de vez em quando, para ver se um paradigma que você está usando está realmente produzindo o perfil de luz que você pensa deveria ser”, diz Jasanoff.

No futuro, esse tipo de sensor também pode ser útil para monitorar pacientes que recebem tratamentos que envolvem luz, como a terapia fotodinâmica, que usa a luz de um laser ou LED para matar células cancerígenas.

Os pesquisadores agora estão trabalhando em sondas semelhantes que podem ser usadas para detectar a luz emitida por luciferases, uma família de proteínas brilhantes que são frequentemente usadas em experimentos biológicos. Essas proteínas podem ser usadas para revelar se um determinado gene está ativado ou não, mas atualmente elas só podem ser visualizadas em tecidos superficiais ou células cultivadas em uma placa de laboratório.

Jasanoff também espera usar a estratégia usada para o sensor LisNR para projetar sondas de ressonância magnética que possam detectar outros estímulos além da luz, como neuroquímicos ou outras moléculas encontradas no cérebro.

“Achamos que o princípio que usamos para construir esses sensores é bastante amplo e pode ser usado para outros fins também”, diz ele.

A pesquisa foi financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde, a Fundação G. Harold e Leyla Y. Mathers, uma bolsa de amigos da McGovern do Instituto McGovern para Pesquisa do Cérebro, o Programa de Treinamento em Engenharia Neurobiológica do MIT e uma bolsa individual Marie Curie da A Comissão Europeia.



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