Adicionando capacidade de infravermelho ao onipresente microscópio óptico padrão, os pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign esperam trazer o diagnóstico de câncer para a era digital.

Emparelhando medidas de infravermelho com imagens ópticas de alta resolução e algoritmos de aprendizado de máquina , os pesquisadores criaram biópsias digitais que se correlacionavam estreitamente com as técnicas patológicas tradicionais e também superavam os microscópios infravermelhos de última geração.

Liderado por Rohit Bhargava, professor de bioengenharia e diretor do Centro de Câncer de Illinois, o grupo publicou seus resultados nos Anais da Academia Nacional de Ciências .

“A vantagem é que não são necessárias manchas, e a organização das células e sua química podem ser medidas. Medir a química das células tumorais e seu microambiente pode levar a melhores diagnósticos de câncer e melhor entendimento da doença”, disse Bhargava.

O padrão ouro da patologia dos tecidos é adicionar corantes ou manchas para que os patologistas possam ver as formas e os padrões das células sob um microscópio. No entanto, pode ser difícil distinguir câncer de tecido saudável ou identificar os limites de um tumor e, em muitos casos, o diagnóstico é subjetivo.

“Por mais de um século, contamos com a adição de corantes nas biópsias de tecidos humanos para diagnosticar tumores. No entanto, a forma e a cor induzidas pelo corante fornecem informações muito limitadas sobre as alterações moleculares subjacentes que impulsionam o câncer”, disse Bhargava.

Tecnologias como a microscopia infravermelha podem medir a composição molecular do tecido, fornecendo medidas quantitativas que podem distinguir tipos de células. Infelizmente, os microscópios infravermelhos são caros e as amostras requerem preparação e manuseio especiais, tornando-os impraticáveis ​​para a grande maioria dos ambientes clínicos e de pesquisa.

Microscópio híbrido pode levar biópsia digital à clínica
Essa comparação lado a lado de uma biópsia de tecido mamário demonstra algumas das capacidades do microscópio híbrido óptico infravermelho. À esquerda, uma amostra de tecido tingida por métodos tradicionais. Center, uma mancha computada criada a partir de imagens híbridas ópticas infravermelhas. Certo, tipos de tecido identificados com dados infravermelhos. O rosa nesta imagem significa câncer maligno. Crédito: Universidade de Illinois em Urbana-Champaign

O grupo de Bhargava desenvolveu seu microscópio híbrido adicionando um laser infravermelho e uma lente de microscópio especializada, chamada de objetivo de interferência, a uma câmera óptica. O híbrido óptico infravermelho mede dados infravermelhos e uma imagem óptica de alta resolução com um microscópio óptico – o tipo onipresente em clínicas e laboratórios.

“Construímos o microscópio híbrido a partir de componentes prontos para uso. Isso é importante porque permite que outras pessoas construam facilmente seu próprio microscópio ou atualizem um microscópio existente”, disse Martin Schnell, pós-doutorado no grupo de Bhargava e primeiro autor do artigo. .

A combinação das duas técnicas aproveita os pontos fortes de ambas, disseram os pesquisadores. Possui alta resolução, amplo campo de visão e acessibilidade de um microscópio óptico. Além disso, os dados infravermelhos podem ser analisados ​​computacionalmente, sem adicionar corantes ou manchas que possam danificar os tecidos. O software pode recriar manchas diferentes ou até sobrepor-se para criar uma imagem mais completa e totalmente digital do que está no tecido.

Os pesquisadores verificaram seu microscópio por imagem de amostras de tecido mamário, saudáveis ​​e cancerígenas, e comparando os resultados dos “corantes” computados no microscópio híbrido com os da técnica tradicional de coloração. A biópsia digital correlacionou-se intimamente com a tradicional.

Além disso, os pesquisadores descobriram que seu híbrido óptico infravermelho superou o estado da arte em microscópios infravermelhos de várias maneiras: possui cobertura 10 vezes maior, maior consistência e resolução quatro vezes maior, permitindo imagens por infravermelho de amostras maiores, em menos tempo, com detalhes sem precedentes.

“A microscopia híbrida óptica por infravermelho é amplamente compatível com a microscopia convencional em aplicações biomédicas”, disse Schnell. “Combinamos a facilidade de uso e a disponibilidade universal da microscopia óptica com a ampla paleta de contraste molecular infravermelho e aprendizado de máquina. E, ao fazer isso, esperamos mudar a maneira como lidamos, imaginamos e compreendemos rotineiramente a estrutura microscópica dos tecidos”.

Os pesquisadores planejam continuar refinando as ferramentas computacionais usadas para analisar as imagens híbridas. Eles estão trabalhando para otimizar programas de aprendizado de máquina que podem medir vários comprimentos de onda infravermelhos, criando imagens que distinguem prontamente vários tipos de células e integrar esses dados às imagens ópticas detalhadas para mapear com precisão o câncer em uma amostra. Eles também planejam explorar outras aplicações para imagens em microscópio híbrido , como forense, ciência de polímeros e outras aplicações biomédicas.

“É muito intrigante o que esse detalhe adicional pode oferecer em termos de diagnóstico de patologia”, disse Bhargava. “Isso pode ajudar a acelerar a espera por resultados, reduzir os custos de reagentes e pessoas para manchar tecidos e fornecer uma solução ‘totalmente digital’ para a patologia do câncer”.