Rumo ao citofone portátil arco-íris com diodos laser para diagnóstico global de doenças

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8671 (2022) Citar este artigo

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In vivo, o Cytophone demonstrou a capacidade de diagnóstico precoce de câncer, infecção e distúrbios cardiovasculares por meio da detecção fotoacústica de marcadores de doenças circulantes diretamente na corrente sanguínea, com uma melhoria sem precedentes de 1.000 vezes na sensibilidade. No entanto, um Cytophone com maior especificidade e portabilidade é urgentemente necessário. Aqui, apresentamos uma nova plataforma Cytophone que integra uma matriz de diodo laser multiespectral em miniatura, codificação de cores de tempo e processamento de sinal resolvido no tempo de alta velocidade. Usando diodos laser de duas cores (808 nm/915 nm), demonstramos a identificação espectral de coágulos brancos e vermelhos, células de melanoma e hemozoína em eritrócitos infectados com malária contra um fundo de sangue e artefatos. Os dados de um modelo murino de Plasmodium yoelii e P. falciparum humano cultivado foram verificados in vitro com microscopia confocal fototérmica e fluorescente. Com essas técnicas, detectamos células infectadas dentro de 4 h após a invasão, o que torna a hemozoína promissora como um marcador seletivo espectral nos estágios iniciais da progressão da malária. Juntamente com as descobertas de nossa aplicação anterior do citofone com lasers convencionais para o diagnóstico de melanoma, bacteremia, anemia falciforme, trombose, acidente vascular cerebral e formas anormais de hemoglobina, esse achado atual sugere o potencial para o desenvolvimento de um citofone arco-íris portátil com laser multiespectral diodos para a identificação dessas e de outras doenças.

Progressos significativos foram alcançados no diagnóstico de doenças usando lasers avançados1. Entre os diferentes métodos de laser, as técnicas fotoacústicas (PA) têm mostrado vantagens em sensibilidade, não invasão e profundidade de penetração em biotecidos de até 3 a 5 cm2,3,4. Vários dispositivos de imagem PA demonstraram resultados clínicos promissores in vivo em humanos, inclusive na avaliação do estado da doença de Crohn5, diagnóstico de câncer de mama6,7 e monitoramento da oxigenação do sangue nas veias jugulares8. O diagnóstico dessas e de muitas outras condições médicas geralmente começa com o exame de sangue do paciente; no entanto, os exames de sangue existentes são incapazes de fornecer um diagnóstico precoce porque sua sensibilidade é limitada pelo pequeno volume de sangue coletado (normalmente 5–10 mL para amostras venosas e alguns μL para amostras capilares), que não detecta até 103 a 104 das células anormais ou biomarcadores em todo o volume sanguíneo (~ 5 L em adultos)9. Essa grande porção de células perdidas pode resultar em progressão da doença muito difícil de tratar, como metástase, sepse ou acidente vascular cerebral formado por células tumorais circulantes (CTCs), bactérias e coágulos, respectivamente9,10. Em particular, apesar dos enormes esforços no desenvolvimento de diversos ensaios de CTC, eles ainda não são recomendados para uso clínico devido à sua baixa sensibilidade, dados inconsistentes e, como resultado, têm valor diagnóstico incerto, especialmente para o diagnóstico precoce de doenças10,11. Além disso, a maioria das técnicas de PA existentes, especialmente imagens de PA, são incapazes de detectar biomarcadores de doenças circulantes e de movimento rápido com velocidades típicas de 5 a 10 cm/s, mesmo se presentes em vasos subcutâneos, limitando ainda mais sua utilidade10.

Essas restrições podem ser resolvidas avaliando maiores volumes de sangue in vivo, usando o princípio da citometria de fluxo in vivo com métodos de detecção fluorescente, fototérmica (PT), Raman e especialmente PA e suas combinações11,12,13. Entre esses métodos, a citometria de fluxo PA in vivo (PAFC) tem demonstrado relevância clínica para a detecção direta na corrente sanguínea de bactérias (por exemplo, S. aureus e E. coli), coágulos, células falciformes, exossomos, diferentes formas de hemoglobina (Hb ) (por exemplo, oxi-, desoxi- e meta-Hb), nanopartículas (NPs) e CTCs usando PA intrínseco (por exemplo, melanina, Hb, Hz [hemozoína], citocromos, carotenóides) ou artificial (por exemplo, NPs de ouro) agentes de contraste9,12,14,15,16,17,18,19,20. Em um ensaio clínico, o PAFC ofereceu uma melhoria de sensibilidade sem precedentes de aproximadamente 1.000 vezes em comparação com os métodos de diagnóstico existentes para detectar CTCs, coágulos e êmbolos de coágulos CTC em pacientes com melanoma in vivo21. Também demonstramos que o PAFC in vivo tem o potencial de detectar células infectadas com malária murina circulantes em um modelo animal em um nível de parasitemia de 0,0000001%14,15.