Notícia

Bio-FlatScope: câmera sem lente captura detalhes 3D em nível celular em tecidos vivos

Fonte

Universidade Rice

Data

quinta-feira, 10 março 2022 14:25

Áreas

Bioeletrônica. Bioinformática. Biomarcadores. Computação. Diagnóstico. Engenharia Biomédica. Laboratórios. Medicina de Precisão. Microbiologia.

O Bio-FlatScope é a mais recente inovação na área de microscopia sem lentes e está sendo desenvolvido na Universidade Rice, nos Estados Unidos, sob a liderança do Dr. Jacob Robinson, professor da Escola de Engenharia da universidade, que testou recentemente o dispositivo em criaturas vivas.

A equipe de pesquisa usa a FlatCam, um dispositivo sem lentes que canaliza a luz através de uma máscara e envia diretamente para um sensor da câmera. Então, um algoritmo usa os dados para reconstruir a ‘visão’ da câmera.

O novo dispositivo procura imagens de alvos em escala micro, como células e vasos sanguíneos dentro do corpo, mesmo através da pele. O Bio-FlatScope captura imagens que nenhuma câmera com lente pode ver – mostrando, por exemplo, mudanças dinâmicas nos neurônios marcados com fluorescência em camundongos.

Uma vantagem sobre outros microscópios é que a luz capturada pelo Bio-FlatScope pode ser ‘refocalizada’ para revelar detalhes 3D. E sem lentes, o campo de visão é do tamanho do sensor (próximo ao alvo) ou mais amplo, sem distorção.

Um Bio-FlatScope pequeno e de baixo custo pode eventualmente procurar sinais de câncer ou sepse ou se tornar uma ferramenta valiosa para endoscopia, disse o professor Robinson, que se uniu a colegas da Iniciativa de Neuroengenharia da Universidade Rice no projeto.

O estudo de prova de conceito da equipe também acessou imagens de plantas, de uma hydra vulgaris e até, em grau limitado, de um ser humano. Os resultados foram publicados na revista científica Nature Biomedical Engineering.

Assista a um exemplo de aplicação da Bio-FlatScope na visualização de uma Hydra vulgaris:

Vídeo, produzido na Universidade Rice com a Bio-FlatCam, mostra a ativação de um indicador de cálcio marcado com fluorescência em uma hydra vulgaris, uma pequena criatura aquática, em movimento.

O mecanismo combina uma máscara de fase sofisticada para gerar padrões de luz que caem diretamente no chip, de acordo com os pesquisadores. A máscara na FlatCam original se parece com um código de barras e limita a quantidade de luz que passa pelo sensor da câmera. Mas não funciona bem para amostras biológicas.

A máscara de fase Bio-FlatScope se parece mais com o mapa aleatório de uma paisagem natural, sem linhas retas. “Tivemos que começar do zero e pensar em como fazê-la funcionar em um cenário biológico realista. Ser aleatório permite que a máscara seja bastante diversificada na coleta de luz de todas as direções”, disse o pesquisador de pós-doutorado Dr. Vivek Boominathan, um dos quatro principais autores do estudo. “E então pegamos a entrada aleatória, que é chamada de ruído Perlin, e fazemos algum processamento para obter esses contornos de alto contraste”, disse o Dr. Jacob Robinson.

No sensor, a luz que passa pela máscara aparece como uma função de espalhamento de pontos, um par de ‘bolhas borradas’ que parecem inúteis, mas na verdade são fundamentais para obter detalhes sobre objetos abaixo do limite de difração, que são muito pequenos para muitos microscópios verem. O tamanho, a forma e a distância das bolhas indicam a que distância o alvo está do plano focal. O software reinterpreta os dados em uma imagem que pode ser reorientada livremente.

Os pesquisadores começaram capturando estruturas celulares em um lírio do vale, depois a atividade do cálcio em pequenas hidras semelhantes a águas-vivas. Então, eles passaram a monitorar um camundongo vivo, anexando o Bio-FlatScope ao crânio do animal e colocando-o em uma roda. Os dados mostraram neurônios marcados com fluorescência em uma região do cérebro do animal, conectando a atividade no córtex motor com o movimento, conseguindo captar vasos sanguíneos com até 10 mícrons de diâmetro.

Em colaboração com pesquisadores de Bioengenharia da Universidade Rice, a equipe identificou a imagem vascular como uma potencial aplicação clínica do Bio-FlatScope. A estudante de pós-graduação e coautora Jimin Wu ofereceu seu lábio inferior para ver se a luz que passa pela câmera poderia fornecer detalhes estruturais dos vasos sanguíneos. “Foi um desafio de engenharia porque é difícil posicionar o Bio-FlatScope na posição correta e lá mantê-lo. Mas isso nos mostrou que poderia ser uma boa ferramenta para ver sinais de sepse, porque a pré-sepse altera a densidade da vasculatura. O câncer também altera a morfologia da microvasculatura”, destacou Jimin Wu.

“Podemos imaginar que seria difícil colocar um microscópio nessa posição, mas talvez um pequeno clipe que você coloca no lábio seja capaz de procurar coisas como sepse ou tumores na mucosa oral”, disse o professor Robinson.

Em longo prazo, a equipe vê potencial para uma câmera que possa se curvar em torno de seu alvo, como no tecido cerebral, “para que possa corresponder à morfologia do que você está olhando. Ou talvez você possa dobrá-lo, colocá-lo no lugar e desdobrá-lo”, concluiu o Dr. Jacob Robinson.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Rice (em inglês).

Fonte: Mike Williams, Universidade Rice. Imagem: Bio-FlatScope. Fonte: Laboratório do Dr. Jacob Robinson, Universidade Rice. Vídeo:ativação de um indicador de cálcio marcado com fluorescência em uma hydra vulgaris. Fonte: Laboratório do Dr. Jacob Robinson, Universidade Rice.

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