Visualização de micro

Jul 13, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13375 (2022) Citar este artigo

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As técnicas de microscopia óptica são uma escolha popular para a visualização de microagentes. Eles geram imagens com resolução espaço-temporal relativamente alta, mas não revelam informações codificadas para distinguir microagentes e arredores. Este estudo apresenta microscopia de fluorescência multicolorida para renderizar a identificação codificada por cores de microagentes móveis e ambientes dinâmicos por mistura espectral. Relatamos o desempenho da microscopia multicolorida visualizando a ligação de microagentes únicos e agrupados a esferóides cancerígenos formados com células HeLa como uma prova de conceito para demonstração de entrega direcionada de medicamentos. Um chip microfluídico é desenvolvido para imobilizar um único esferóide para a fixação, fornecer um ambiente estável para microscopia multicolorida e criar um modelo de tumor 3D. Para confirmar que a microscopia multicolor é capaz de visualizar microagentes em ambientes vascularizados, redes de vasculatura in vitro formadas por células endoteliais e membrana corioalantóica ex ovo de galinha são empregadas como modelos experimentais. A visualização completa de nossos modelos é obtida pela excitação sequencial dos fluoróforos de maneira round-robin e pela aquisição síncrona de imagens individuais de três bandas de espectro diferentes. Demonstramos experimentalmente que a microscopia multicolorida decompõe espectralmente microagentes, corpos orgânicos (esferóides cancerígenos e vasculaturas) e meios circundantes utilizando fluoróforos com características de espectro bem separadas e permite a aquisição de imagens com 1280 \(\vezes\) 1024 pixels em até 15 quadros por segundo. Nossos resultados mostram que a microscopia multicolorida em tempo real fornece maior compreensão por meio da visualização codificada por cores em relação ao rastreamento de microagentes, morfologia de corpos orgânicos e distinção clara da mídia circundante.

O campo da microrobótica abriu novos caminhos para diversas aplicações na medicina graças aos avanços nas tecnologias de micro/nanofabricação1,2,3. Uma das aplicações mais proeminentes é a entrega direcionada de medicamentos, que é uma técnica inovadora para aumentar a taxa de sucesso do tratamento, mitigar os efeitos colaterais dos medicamentos e reduzir o tempo de recuperação do paciente4,5. Microagentes, os efetores finais dos sistemas microrobóticos, são utilizados como transportadores para distribuição de drogas em nanopartículas e direcionados ao tecido de interesse por estímulos externos (por exemplo, campos magnéticos e ondas acústicas)6. Técnicas de imagem são utilizadas para que microagentes alcancem o tecido alvo, uma vez que a integração do sensor continua a ser um desafio devido às limitações de tamanho7,8. As imagens adquiridas podem ser consideradas apenas fonte de feedback para identificação do alvo, manipulação dos microagentes e liberação dos medicamentos no local desejado. Portanto, a visualização clara desempenha um papel crucial no processo de entrega.

Ressonância magnética (MRI), tomografia computadorizada (TC), fluoroscopia, ultrassom e imagem fotoacústica são usadas para visualizar microagentes em condições in vitro e in vivo. A ressonância magnética é utilizada para atuação e visualização simultânea de microagentes com alta relação contraste-ruído9,10,11. Além disso, as imagens de ressonância magnética contêm detalhes anatômicos com alta relação contraste-ruído para direcionamento preciso dos microagentes. No entanto, a baixa taxa de aquisição de imagens da ressonância magnética torna-a inadequada para aplicações de microagentes que requerem visualização em tempo real12. Semelhante à ressonância magnética, a TC fornece imagens de microagentes de alta resolução, mas possui espaço de trabalho limitado para a integração de sistemas de atuação e detecção . A fluoroscopia é um método de imagem alternativo à TC para obter um espaço de trabalho maior e obter maior taxa de aquisição de imagens14,15. Tanto a TC quanto a fluoroscopia apresentam efeitos prejudiciais tanto para os médicos quanto para os pacientes devido à exposição à radiação ionizante16. Dentre as modalidades de imagem, as técnicas baseadas em ultrassom não apresentam efeitos colaterais conhecidos à saúde e são utilizadas para visualização em tempo real dos microagentes17,18,19,20,21. A imagem ultrassonográfica oferece um grande espaço de trabalho para a colocação dos sistemas de atuação, uma vez que as imagens são adquiridas por meio de uma pequena sonda portátil22,23,24. No entanto, as imagens de ultrassom são inerentemente ruidosas e contêm artefatos que dificultam a detecção de microagentes. A imagem fotoacústica supera a limitação da imagem ultrassonográfica pelo aprimoramento do contraste de microagentes. A absorção de luz aquece microagentes contendo materiais metálicos, e subsequentes ondas acústicas são geradas por expansão térmica25. As ondas acústicas geradas fazem com que os microagentes alcancem uma relação sinal-ruído maior do que a imagem ultrassonográfica e sejam resolvidos a partir do ambiente .