Criamos um dispositivo que pode permitir o diagnóstico instantâneo de doenças – enquanto encaixa dentro da lente do telefone

Doenças infecciosas como a malária continuam a ser a principal causa de morte em muitas regiões. Isso ocorre em parte porque as pessoas não têm acesso a ferramentas de diagnóstico médico que possam detectar essas doenças (juntamente com uma série de doenças não infecciosas) em um estágio inicial, quando há mais possibilidades de tratamento.

É um desafio que os cientistas enfrentaram, com o objetivo de democratizar os cuidados de saúde para pessoas economicamente desfavorecidas em todo o mundo.

Meus colegas e eu desenvolvemos um novo método para a investigação de células biológicas que é pequeno o suficiente para caber em uma lente de smartphone.

Embora até agora tenhamos testado apenas em laboratório, esperamos que no futuro essa nanotecnologia possa permitir a detecção de doenças em ambientes médicos do mundo real usando apenas um dispositivo móvel. Esperamos que nosso trabalho possa eventualmente ajudar a salvar milhões de vidas.

Como investigar uma célula biológica

Ser capaz de investigar células biológicas através de microscópios ópticos é parte fundamental do diagnóstico médico.

Isso ocorre porque alterações específicas nas células que podem ser observadas ao microscópio são frequentemente indicativas de doenças. No caso da malária, por exemplo, o método padrão-ouro de detecção envolve o uso de imagens de microscópio para identificar alterações específicas nos glóbulos vermelhos de um paciente.

Mas as células biológicas são boas em se esconder. Muitas de suas características internas são praticamente transparentes e quase invisíveis aos microscópios convencionais. Para tornar esses recursos visíveis, precisamos aplicar truques.

Uma maneira é introduzir algum tipo de coloração química, que adiciona contraste às características transparentes das células.

Outras abordagens usam um processo chamado “imagem de fase”. A imagem de fase explora o fato de que a luz, que passou pela célula, contém informações sobre as partes transparentes da célula – e torna essas informações visíveis ao olho humano.

Os métodos convencionais de imagem de fase dependem de uma variedade de componentes volumosos, como prismas e configurações de interferência, que custam milhares de dólares. Além disso, equipamentos caros e volumosos não podem ser facilmente disponibilizados em regiões remotas e países economicamente desfavorecidos.

Entre na nanotecnologia

Atualmente, um grande esforço científico está direcionado para alavancar a nanotecnologia para substituir os grandes componentes ópticos tradicionais.

Isso está sendo feito criando dispositivos de espessura nanométrica com potencial para produção em massa de baixo custo. Esses dispositivos podem ser integrados a dispositivos móveis, como câmeras de smartphones, no futuro.

No caso específico da imagem de fase, os cientistas só conseguiam desenvolver sistemas que: dependam de pós-processamento computacional demorado, o que torna o processo mais complexo e não permite imagens em tempo real ainda usam movimento mecânico ou peças rotativas. Devido aos requisitos de espaço dessas peças, elas são incompatíveis com componentes ópticos completamente planos e integração ultracompacta.

Desenvolvemos um dispositivo que pode realizar imagens instantâneas de fase sem essas limitações. Nossa solução tem apenas algumas centenas de nanômetros de espessura e pode ser integrada às lentes das câmeras, na forma de um filme plano na parte superior da lente.

Como fizemos

Inscrevemos uma nanoestrutura em um filme muito fino (menos de 200 nanômetros de espessura) que permite a geração de imagens de fase usando um efeito às vezes chamado de “acoplamento óptico de spin-órbita”.

O princípio de funcionamento é simples. Um objeto transparente, como uma célula biológica, é colocado em cima do dispositivo. A luz brilha através da célula e a estrutura anteriormente invisível da célula torna-se visível do outro lado.

Em nossa recente publicação na ACS Photonics, detalhamos como demonstramos com sucesso o uso desse método em ambiente de laboratório, com objetos transparentes gerados artificialmente. Os objetos tinham apenas alguns micrômetros de tamanho e, portanto, comparáveis ​​às células biológicas.

Como esse método permite imagens de fase, mas não lida com a ampliação de pequenos objetos, como células, atualmente ainda requer lentes volumosas para fornecer ampliação. No entanto, estamos confiantes de que no futuro nosso dispositivo poderá ser integrado a lentes planas, emergindo de outros avanços na nanotecnologia.

Onde isso poderia nos levar?

Um desafio com o protótipo do dispositivo atual é o custo de fabricação de aproximadamente A$ 1.000. Usamos vários métodos de nanofabricação caros que também são usados ​​para a fabricação de chips de computador.

Dito isso, aproveitando as economias de escala associadas à produção de chips, acreditamos que podemos alcançar a produção rápida e de baixo custo deste dispositivo nos próximos anos.

Até agora só fizemos este trabalho no laboratório. Ver a tecnologia se tornar disponível em dispositivos médicos móveis exigirá a colaboração de engenheiros e cientistas médicos especializados no desenvolvimento de tais ferramentas.

Nossa visão de longo prazo para a tecnologia é permitir que dispositivos móveis investiguem espécimes biológicos de uma forma que ainda não foi possível.

Além de permitir diagnósticos médicos remotos, também poderia fornecer detecção de doenças em casa, em que um paciente poderia obter sua própria amostra através da saliva ou de uma picada de sangue e enviar a imagem para um laboratório em qualquer lugar do mundo.