Feixe laser caótico auto-organiza-se e melhora a imagem 3D da barreira hematoencefálica

Um novo estudo mostrou que um feixe laser caótico pode, em vez de se desfazer em ruído, auto-organizar-se e estreitar-se num feixe bem definido.

Esse feixe formado espontaneamente poderá acelerar a procura de fármacos para o cérebro, ao ajudar a visualizar onde proteínas com perfil “tipo fármaco” entram em células vivas.

O caos ganha foco

Numa fibra de vidro comum, a desordem só começou a ceder quando a luz entrou de forma perfeitamente alinhada e a potência se aproximou do limite suportado pela própria fibra.

Ao acompanhar esses pulsos de alta potência, Sixian You, Ph.D., do Massachusetts Institute of Technology (MIT), observou a luz a concentrar-se progressivamente na zona central.

Ainda assim, o feixe não surgiu como uma propriedade automática de qualquer laser espalhado: apareceu apenas num intervalo muito específico de condições.

Essa exigência transforma um resultado surpreendente da física num desafio prático para a imagem: como induzir a ordem e, ao mesmo tempo, impedir que ela se perca.

A potência cria ordem

Aumentar a potência, em regra, faz com que a luz numa fibra com imperfeições se espalhe e forme um padrão granulado e desorganizado.

Já perto do limiar de dano, a luz alterou o vidro apenas o suficiente para atrair energia para um único trajecto centrado, sem partir nem degradar a fibra.

A entrada rectilínea manteve esse trajecto simétrico, impedindo que caminhos concorrentes dividissem o pulso em vários pontos.

“Essa é a graça deste método: dá para fazer isto com uma configuração óptica normal e sem grande experiência na área”, disse You.

Imagem volumétrica mais nítida

Quando foi integrado num microscópio multifotónico - um sistema que faz as células emitirem brilho nos locais onde pares de fotões interagem -, o feixe permitiu varrer amostras mais espessas de uma só vez.

No varrimento pontual tradicional, uma imagem 3D é construída fatia a fatia, pelo que a velocidade cai quando é necessário ganhar profundidade.

Neste caso, o feixe “tipo lápis” manteve-se estreito ao longo de uma maior extensão em profundidade, permitindo que uma única passagem recolhesse informação que normalmente exigiria várias.

Reduzir a repetição de varrimentos também pode diminuir a dose de luz, algo relevante quando o tecido tem de permanecer saudável por estar vivo.

Modelo de barreira revelado

A barreira hematoencefálica humana - uma camada celular compacta que protege o cérebro - foi o teste biológico mais exigente para este feixe.

Para quem desenvolve medicamentos, esta barreira é crítica: aquilo que protege o cérebro também bloqueia frequentemente terapias antes de chegarem ao tecido cerebral.

Com o novo feixe, os investigadores varreram um modelo vivo que cobria uma pequena área de tecido, sem perder o detalhe fino ao nível celular.

Mesmo sendo um volume, a imagem continuou a separar células individuais, oferecendo uma visão prática de barreiras vivas à medida que se iam modificando.

Entrada de fármacos observada

A equipa recorreu a uma proteína transportadora de ferro, porque muitas estratégias de entrega ao cérebro tentam aproveitar vias celulares semelhantes.

À medida que a transferrina percorria redes de vasos minúsculos, o microscópio registou varrimentos 3D a cada minuto durante 50 minutos.

As células endoteliais - que revestem os vasos - foram as que mais absorveram a proteína e atingiram um patamar ao fim de 45 minutos.

Esse padrão temporal deu aos investigadores um registo em movimento da entrada, e não apenas uma coloração “antes e depois” obtida em células fixadas.

Células vizinhas não reagiram da mesma forma

Células endoteliais lado a lado nem sempre responderam de forma idêntica, mesmo quando ambas estavam expostas à mesma proteína em circulação.

Algumas células internalizaram transferrina em poucos minutos, enquanto células próximas permaneceram quase silenciosas dentro do mesmo canal vascular.

A menor captação de proteína apareceu, com tendência, em células endoteliais situadas perto de pericitos - células de suporte que envolvem pequenos vasos sanguíneos.

No mesmo tecido, os astrócitos apresentaram pouca acumulação global, embora algumas zonas de contacto com vasos tenham brilhado por breves momentos.

Feixes mais limpos melhoram a leitura

A qualidade das imagens aumentou porque o feixe reduziu lóbulos laterais, anéis ténues adicionais que podem esbater contornos celulares finos.

Feixes convencionais de foco estendido costumam deixar esses halos, sobretudo quando o tecido curva ou baralha a luz durante o varrimento.

Em comparação com essas soluções anteriores, este feixe conservou um núcleo limpo e resistiu melhor à distorção causada por tecido irregular.

Essa robustez é importante porque bordos desfocados podem ocultar se um fármaco alcançou um tipo celular e não outro.

Corantes não são necessários

A observação do comportamento celular sem corantes adicionais tornou o modelo de barreira mais adequado para varrimentos repetidos.

Brilhos químicos naturais ajudaram a distinguir células do revestimento vascular, pericitos e astrócitos sem reconstruir a amostra nem acrescentar marcadores.

Assim, foi possível acompanhar simultaneamente a identidade celular e a entrada de proteína no mesmo modelo de tecido vivo.

“O facto de este novo método não exigir que as células tenham uma etiqueta fluorescente muda o jogo”, disse Roger D. Kamm, Ph.D., o Cecil and Ida Green Distinguished Professor of Biological and Mechanical Engineering no MIT.

Futuro dos feixes laser caóticos

A aplicação clínica continua distante, porque o trabalho foi feito em modelos de tecido engenheirados e não em doentes em contexto clínico real.

Ainda assim, estes modelos permitem testar ideias de entrega antes de estudos caros em animais ou ensaios em humanos, sem depender de uma única prova tardia.

O mesmo feixe também foi usado para obter imagens de tecido nervoso intestinal de rato, sugerindo que o seu valor pode ir além das barreiras cerebrais.

Os próximos passos terão de aprofundar a física envolvida e transformar a configuração numa solução suficientemente estável para que outros laboratórios a adoptem com confiança.

A desordem do laser, a física das fibras e os modelos de células vivas apontam agora para um ganho claro: evidência 3D mais rápida sobre para onde as moléculas realmente vão.

Esse ganho pode acelerar a triagem inicial de fármacos, mas o controlo rigoroso da potência e uma validação mais ampla irão determinar até onde este método consegue chegar.