Real-time, macroscopic shortwave infrared Raman imaging for surgical and pre-clinical applications

Resumo Técnico: Imagem de Raman no Infravermelho de Ondas Curtas em Tempo Real e Macroscópica

Definição do Problema
A imagem óptica transformou a pesquisa biomédica, particularmente na faixa do infravermelho de ondas curtas (SWIR, 1000–1700 nm), onde os tecidos biológicos exibem menor espalhamento e autofluorescência em comparação com as janelas do visível e do infravermelho próximo. Embora o espalhamento Raman seja uma técnica poderosa para análise química sem uso de marcadores, sua aplicação tem sido amplamente restrita a escalas microscópicas ou mesoscópicas. A imagem Raman macroscópica permaneceu um desafio porque, em comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo, a autofluorescência do tecido sobrecarrega os sinais Raman inerentemente fracos. As abordagens de campo amplo existentes são prejudicadas por esse ruído de fundo, enquanto os métodos baseados em varredura sofrem com trocas inerentes entre velocidade, área e resolução, muitas vezes exigindo minutos ou horas para cobrir campos de visão cirúrgicos. Consequentemente, há uma carência de técnicas capazes de fornecer identificação química rápida e sem marcadores sobre grandes áreas de tecido para orientação intraoperatória ou monitoramento pré-clínico de corpo inteiro.

Metodologia
Os autores desenvolveram um sistema de imagem Raman de campo amplo em SWIR projetado para visualizar o espalhamento Raman espontâneo sobre campos de visão próximos a 100 cm². A inovação central reside no deslocamento da janela de detecção para a faixa de SWIR, utilizando iluminação com comprimentos de onda entre 892 nm e 1064 nm.

• Design do Sistema: Duas implementações foram criadas. A primeira é um sistema estacionário, com alta relação sinal-ruído (SNR), utilizando um detector InGaAs de grande formato e resfriamento profundo, com tempos de exposição de 10–300 segundos por canal. O segundo é um sistema compacto e portátil, otimizado para uso intraoperatório em tempo real, capaz de adquirir quadros de canais duplos fundidos a aproximadamente 1 quadro por segundo (fps) com tempos de exposição de 0,1 segundo por canal.
• Princípio Óptico: O sistema emprega iluminação difusa com comprimentos de onda de laser específicos. Filtros de passagem de banda estreita capturam seletivamente a luz espalhada correspondente a deslocamentos Raman específicos (por exemplo, modos vibracionais CH e OH). O comprimento de onda de detecção ($\lambda$) é calculado com base no comprimento de onda de iluminação e no deslocamento Raman.
• Supressão de Autofluorescência: Um requisito de engenharia crítico foi a supressão da luz espalhada pelo laser para níveis significativamente abaixo do sinal Raman, o que exigiu um empilhamento de filtros com uma densidade óptica efetiva de 16–18. O estudo demonstrou que, ao utilizar comprimentos de onda de iluminação $\ge$ 892 nm, o sinal Raman dos componentes teciduais (especificamente a região CH em tecido adiposo) torna-se dominante sobre a autofluorescência, eliminando a necessidade de subtração de autofluorescência complexa ou desmistura espectral.
• Validação: O sistema foi validado usando misturas in vitro (água e azeite), amostras de tecido ex vivo (órgãos de camundongos, placas ateroscleróticas humanas) e modelos in vivo (camundongos, porcos e doadores de corpo humano). A validação transmodal foi realizada em comparação com mapas de gordura de Ressonância Magnética (RM).

Principais Contribuições e Resultados

1. Superação da Barreira da Autofluorescência: O estudo estabeleceu empiricamente que comprimentos de onda de iluminação de 892 nm ou superiores permitem que o espalhamento Raman domine o fundo do tecido. Isso possibilita a imagem química de alto contraste sem a necessidade de agentes de contraste ou processamento posterior de desmistura espectral.
2. Contraste Químico Macroscópico: O sistema visualizou com sucesso componentes químicos distintos através de grandes campos de visão. Em camundongos, diferenciou gordura subcutânea (alto sinal CH, aparecendo em verde) de tecidos ricos em água, como linfonodos e músculos (alto sinal OH, aparecendo em azul), através da pele intacta.
3. Monitoramento Não Invasivo de Doenças:
   • Obesidade e Doença Hepática: A técnica detectou o aumento do tecido adiposo em camundongos geneticamente obesos e identificou o acúmulo de lipídios (esteatose) em fígados de camundongos alimentados com dieta deficiente em metionina-colina (MCD), correlacionando-se com achados histológicos.
   • Mudanças Teciduais Dinâmicas: O monitoramento longitudinal de jejum e realimentação em camundongos mostrou reduções rápidas e subsequente reposição dos sinais CH de gordura. O edema associado a tumores também foi distinguível da gordura circundante.
4. Análise Ex Vivo de Tecidos Não Fixados: O sistema analisou placas ateroscleróticas humanas não fixadas, distinguindo regiões calcificadas (sinal $PO_4^{3-}$) e áreas ricas em lipídios (sinal CH) sem a necessidade de fixação, descalcificação ou fatiamento. Isso preservou a composição nativa do tecido, que é frequentemente alterada pela histologia tradicional.
5. Orientação Intraoperatória em Tempo Real:
   • Modelos Suínos: Em um porco vivo sob condições padrão de sala de cirurgia, o sistema portátil identificou linfonodos mesentéricos e nervos faciais inseridos no tecido adiposo que eram invisíveis sob luz branca. O sistema forneceu feedback contínuo durante a dissecção.
   • Aplicação Humana: A técnica foi aplicada com sucesso em um doador de corpo humano, identificando linfonodos inguinais com qualidade de imagem comparável aos experimentos porcinos. A confirmação histológica verificou a identidade das estruturas ressecadas.
6. Correlação com RM: A distribuição espacial da razão CH/OH de Raman em SWIR, tanto em camundongos quanto em mãos humanas, alinhou-se estreitamente com os depósitos de gordura definidos por RM, demonstrando que o método óptico fornece contraste de composição tecidual semelhante à RM, mas com uma configuração compacta e não magnética.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a imagem Raman em SWHR expande as capacidades da imagem óptica para aplicações que exigem identificação bioquímica rápida sobre grandes áreas de tecido. Ao integrar as propriedades ópticas favoráveis da janela SWIR com a especificidade química do espalhamento Raman, os autores apresentam uma estratégia prática para a identificação intraoperatória de estruturas anatômicas críticas (como linfonodos e nervos) que de outra forma estariam obscurecidas pelo tecido adiposo.

Os autores enfatizam que esta abordagem oferece uma alternativa sem marcadores à imagem de fluorescência baseada em agentes de contraste e uma alternativa mais compacta e compatível com o fluxo de trabalho à RM intraoperatória. A técnica é apresentada como uma plataforma promissora para melhorar as decisões cirúrgicas e os resultados dos pacientes, fornecendo informações anatômicas semelhantes às da ressonância magnética diretamente no campo cirúrgico. O trabalho estabelece a viabilidade da imagem Raman de campo amplo em SWIR tanto para estudos pré-clínicos de corpo inteiro quanto para orientação cirúrgica clínica, sem a necessidade de agentes de contraste exógenos.