Marcos de Oliveira | Agência FAPESP – Dois estudos realizados na Universidade de São Paulo, em Ribeirão Preto, trazem novos horizontes para o uso de aparelhos de ultrassom. Comuns nos campos da gastroenterologia, cardiologia, obstetrícia e ginecologia, esses equipamentos, que emitem ondas ultrassônicas para diagnóstico em órgãos e tecidos no interior do corpo humano, poderão, aliados a fibras ópticas e nanopartículas de óxido de ferro, identificar e até destruir tumores cancerígenos por hipertermia.
Representação esquemática da plataforma teranóstica composta de imagens de ultrassom para o diagnóstico e hipertermia magnética para a terapia. A bobina é acionada para gerar campos magnéticos para: i) esquentar o meio contendo as nanopartículas magnéticas; ii) causar microvibrações para que o sistema de ultrassom possa localizar as nanopartículas. Para avaliar o sistema foi usado um objeto simulador de tecido (phantom) contendo uma inclusão preenchida com nanopartículas magnéticas. O sistema de imagens é capaz de produzir imagens tradicionais de ultrassom com informações anatômicas, imagens térmicas para avaliar variações de temperatura e imagens que localizam as nanopartículas nos tecidos. A figura apresenta uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão das nanopartículas (imagem: Giimus/USP)
Outro possível uso apresentado nos estudos é a utilização de fibras ópticas acopladas ao ultrassom para determinar o grau de oxigenação em tumores ou outros tecidos e nas articulações. “Já é bem consolidado o fato de que tumores com menos oxigênio, ou hipóxicos, mostram maiores dificuldades de tratamento e merecem maior atenção dos médicos”, explica o físico médico Theo Pavan, professor do Departamento de Física, coordenador das pesquisas e pesquisador no Grupo de Inovação em Instrumentação Médica e Ultrassom (Giimus) da USP.
Os dois estudos, que foram publicados nas revistas IEEE Transactions on Biomedical Engineering, o de hipertemia, e Sensors, que quantifica a presença de oxigênio em tecidos por meio de iluminação com fibra óptica, receberam financiamento da FAPESP por meio de um projeto de Auxílio à Pesquisa Jovem Pesquisador.
“Escolhemos o ultrassom como principal instrumento de pesquisa porque esses equipamentos são portáteis e mais baratos que a ressonância magnética e não emitem radiação ionizante como na tomografia computadorizada, que impede a execução de exames seguidos no mesmo paciente. O ultrassom também está presente em um maior número de hospitais e clínicas se comparado aos outros”, diz Pavan. No complexo hospitalar da USP em Ribeirão Preto, por exemplo, existem dois aparelhos de ressonância magnética e dezenas de ultrassom.
A maior quantidade de aparelhos de ultrassom permite que as novas tecnologias possam ser incorporadas de maneira mais fácil e barata, agregando à ultrassonografia, que é um meio de diagnóstico, a possibilidade de tratamento. “É o que chamamos de teranóstico, palavra que une terapia e diagnóstico em um mesmo equipamento”, diz Pavan.
Magnetismo nas nanopartículas
O experimento com nanopartículas de óxido de ferro segue uma expectativa que surgiu com os primeiros estudos em nanotecnologia, no início dos anos 2000. As nanopartículas, ao serem introduzidas na corrente sanguínea, poderiam ser carreadas por magnetismo até um tumor cancerígeno, levando drogas ou alguma substância biológica para destruir as células cancerosas e curar o paciente.
O uso de nanopartículas em tumores está em desenvolvimento em vários laboratórios no mundo e em alguns anos poderá se tornar realidade nos hospitais. O experimento do grupo de Ribeirão Preto foi concebido para resolver alguns desafios dessa prática, como a entrega e localização das nanopartículas magnéticas nos tecidos e o monitoramento da temperatura durante o tratamento por hipertemia. “A hipertemia magnética começou a ser desenvolvida a partir da década de 1950, mas existem muitos desafios técnicos que ainda dificultam o translado para a clínica”, explica Pavan.
“A intenção final desse tipo de tratamento é necrosar o tumor ou aumentar a temperatura, de 2°C a 3 °C, no ambiente tumoral para tornar mais eficientes os tratamentos tradicionais, como radioterapia e quimioterapia”, diz Pavan.
O arranjo tecnológico utilizado pelos pesquisadores incluiu aparelhos de campos magnéticos de radiofrequência para esquentar as nanopartículas a partir da superfície da pele e imagens de ultrassom para identificá-las e para medir a temperatura local. Os estudos foram realizados em estruturas que imitam a consistência do organismo humano também produzidas pelo grupo.
Os resultados, que podem ser observados na tela do ultrassom, mostraram que as nanopartículas foram efetivamente localizadas e geraram calor para o experimento de hipertemia. “Colocamos um pulso externo de campo magnético para causar uma vibração, que é detectada pelo nosso algoritmo, que depois é transformada em imagem colorida com localização das nanopartículas na tela”.
A próxima etapa desse experimento é testar a hipertemia com nanopartículas em animais. Inicialmente, elas poderão ser inseridas no tumor por uma pequena incisão no corpo e não necessariamente aplicadas na corrente sanguínea e carreadas por magnetismo até o tumor. “Essas nanopartículas já demonstraram grande biocompatibidade com o organismo humano como mostra a literatura científica”, disse Pavan.
Luz nas hemoglobinas
No outro experimento é utilizado o conceito fotoacústico para avaliar a irrigação sanguínea de determinado tecido ou articulação. O pulso de luz laser é absorvido pelos tecidos e, nessa interação, é induzido um pequeno aumento de temperatura local gerando uma resposta na forma de um som que é captado pelo receptor do aparelho de ultrassom. O resultado aparece na tela do equipamento com a identificação de onde foi absorvida a luz em determinado ponto tecidual.
Um exemplo dessa interação de luz e tecido é o oxímetro de dedo, que mede a saturação de oxigênio de uma pessoa. Nesse caso, são interações da luz de LEDs com a capacidade de absorção luminosa das hemoglobinas do sangue.
Com a fotoacústica, pode-se obter uma informação similar ao oxímetro, sendo que a resposta a essa interação de luz com as hemoglobinas resulta na criação de uma imagem transformada em números, sendo possível estimar localmente se o sangue está mais ou menos oxigenado.
A tecnologia desenvolvida pelo grupo mostrou-se também apropriada para a verificação da irrigação sanguínea. “A ideia foi jogar luz também nos pontos mais profundos para saber se determinada região tem mais ou menos oxigênio, e se está mais ou menos irrigada de sangue.”
“Desenvolvemos um sistema próprio para gerar imagem fotoacústica. Existem alguns equipamentos comerciais, mas são muito caros”, diz Pavan.
A ideia dos pesquisadores é analisar o centro dos tumores, para verificar o grau de oxigenação. Se existir pouco oxigênio, a dificuldade de tratamento aumenta. Porém, com esse dado os médicos podem prever com mais precisão a terapia a ser utilizada.
Na artrite reumatoide, doença em que as articulações apresentam dor, será possível com esse equipamento, desenvolvido por Pavan e equipe, verificar a oxigenação na articulação. Os níveis de oxigenação do tecido indicarão também o tipo de tratamento.
A equipe de Pavan conseguiu montar no transdutor, que é a parte do equipamento de ultrassom que toca no paciente, dois cabos com fibras ópticas para direcionar a luz do laser.
A luz que penetra no tecido biológico pode ser inserida a partir da superfície da pele, de forma angulada e precisa. Assim, consegue-se focar um ponto do tumor, por exemplo, por duas vias de luz.
O protótipo foi avaliado experimentalmente por meio da obtenção de imagens de um modelo de pele e músculo, abdômen de um camundongo, antebraço e dedo indicador de um voluntário. “Foi possível obter imagens com alguns centímetros abaixo da pele e determinar a saturação de oxigênio no local.” Com base nos resultados, a equipe vai seguir no aprimoramento do equipamento.
O artigo A Novel Theranostic Platform: Integration of Magnetomotive and Thermal Ultrasound Imaging with Magnetic Hyperthermia pode ser acessado em https://ieeexplore.ieee.org/document/9079651 e o artigo Multiangle Long-Axis Lateral Illumination Photoacoustic Imaging Using Linear Array Transducer em www.mdpi.com/1424-8220/20/14/4052.