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

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 8671 (2022) Citar este artigo

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In vivo, o Cytophone demonstrou a capacidade de diagnóstico precoce de câncer, infecções 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, é urgentemente necessário um citofone com maior especificidade e portabilidade. Aqui, apresentamos uma nova plataforma Cytophone que integra um conjunto de diodos laser multiespectrais em miniatura, codificação de cores no tempo e processamento de sinal resolvido no tempo em 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 sanguíneo e artefatos. 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 horas após a invasão, o que torna a hemozoína promissora como marcador espectralmente seletivo nos estágios iniciais da progressão da malária. Juntamente com as descobertas de nossa aplicação anterior do Cytophone com lasers convencionais para o diagnóstico de melanoma, bacteremia, anemia falciforme, trombose, acidente vascular cerebral e formas anormais de hemoglobina, esta descoberta atual sugere o potencial para o desenvolvimento de um citofone arco-íris portátil com laser multiespectral diodos para identificação dessas e de outras doenças.

Progressos significativos foram alcançados no diagnóstico de doenças utilizando lasers avançados1. Entre os diferentes métodos de laser, as técnicas fotoacústicas (PA) têm demonstrado vantagens em sensibilidade, não invasividade e penetração profunda 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, no diagnóstico de câncer de mama6,7 e no monitoramento da oxigenação sanguínea nas veias jugulares8. O diagnóstico destas e de muitas outras condições médicas geralmente começa com o exame do sangue do paciente; no entanto, os exames de sangue existentes não são capazes 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 perde 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 na progressão da doença que é 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 pouco claro, 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 sanguíneos in vivo, utilizando o princípio da citometria de fluxo in vivo com métodos de detecção fluorescente, fototérmica (PT), Raman e principalmente PA e suas combinações11,12,13. Entre esses métodos, a citometria de fluxo PA in vivo (PAFC) demonstrou 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 detecção de CTCs, coágulos e êmbolos de coágulos de CTC em pacientes com melanoma in vivo21. Também demonstramos que o PAFC in vivo tem potencial para detectar células circulantes infectadas com malária murina em um modelo animal a um nível de parasitemia de 0,0000001% .