Cientistas da Universidade de São Paulo (USP) desenvolveram um "gêmeo digital" em 3D do tórax humano para simular a propagação da luz pelo corpo. A tecnologia utiliza imagens de tomografia para reproduzir a anatomia de cada paciente e estimar quanta energia luminosa chega aos pulmões, com o objetivo de aprimorar o planejamento de terapias contra infecções pulmonares.
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A pesquisa, apoiada pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e publicada na revista científica PNAS, utiliza o método de Monte Carlo, que simula milhões de fótons — partículas que transportam energia luminosa — ao atravessarem os tecidos. Os cálculos permitem estimar como a luz é absorvida, desviada e distribuída pelo organismo.
A tecnologia pode contribuir para tratamentos como a terapia fotodinâmica, que utiliza luz para ativar uma substância fotossensível. Na presença de oxigênio, essa ativação desencadeia reações químicas capazes de destruir microrganismos. O desafio é fazer a luz atravessar a pele, a gordura, os músculos e os ossos e alcançar as regiões infectadas dos pulmões em intensidade suficiente.
Como a anatomia e as condições clínicas variam entre os pacientes, a mesma iluminação externa pode produzir resultados diferentes. Simular a distribuição da luz ajuda a estimar quanta energia chega às áreas afetadas e a planejar tratamentos mais adequados a cada indivíduo.
Réplica virtual
A partir das tomografias, os pesquisadores constroem modelos tridimensionais personalizados do tórax, identificando 12 tipos de tecidos e estruturas anatômicas, cada um com propriedades ópticas específicas. Os pulmões são divididos em pequenos volumes chamados voxels, que permitem calcular a distribuição da luz em diferentes regiões.
O modelo distingue tecidos normalmente aerados, áreas inflamadas, regiões colapsadas e vasos sanguíneos. Essas diferenças são importantes porque cada estrutura interfere de maneira própria na propagação da radiação.
Segundo Vanderlei Bagnato, professor do Instituto de Física de São Carlos da USP e autor do estudo, a pesquisa é desenvolvida no Brasil e nos Estados Unidos. Uma das frentes busca demonstrar que uma substância pode ser inalada e ativada pela luz diretamente nos pulmões.
"Desenvolvemos um sistema para inalar uma substância e ativá-la com luz dentro dos pulmões", explica Bagnato. Segundo ele, a estratégia busca eliminar microrganismos e combater infecções. "O mais importante é que ela pode ajudar a romper a resistência aos antibióticos", afirma.
Outro desafio é garantir que a luz alcance os pontos comprometidos pela infecção. Para isso, os pesquisadores simulam sua passagem pelas diferentes estruturas do tórax. "Conseguimos superar uma barreira: entender como a luz se propaga nos tecidos. Agora, precisamos fazê-la chegar ao local da infecção", diz.
Com base nas imagens do paciente, os cientistas reproduzem virtualmente a anatomia e a localização da doença. "Crio um gêmeo digital do paciente no computador, com o foco da doença identificado", explica. A partir dessa réplica, é possível simular a iluminação externa e avaliar se a energia luminosa alcançará as regiões necessárias. "Verifico se a luz chega em condições adequadas para que o tratamento tenha sucesso", acrescenta Bagnato.
Tratamento personalizado
O gêmeo digital pode ajudar a adaptar os parâmetros de iluminação às características anatômicas e clínicas de cada paciente, em vez de utilizar as mesmas condições para todos. "Podemos planejar um tratamento específico para cada paciente e, assim, otimizá-lo", afirma o autor da pesquisa. Para ele, essa abordagem representa um avanço na medicina personalizada. "A medicina precisa considerar não apenas a doença, mas também as características do paciente. É esse conjunto que deve orientar o tratamento correto", destaca.
No futuro, o modelo poderá permitir testar virtualmente diferentes estratégias terapêuticas antes de aplicá-las ao paciente. Intensidade da luz, tempo de exposição, comprimento de onda e posicionamento da fonte luminosa poderão ser ajustados conforme a anatomia e as alterações identificadas nas tomografias.
A expectativa é que a ferramenta ajude a reduzir as incertezas sobre a quantidade de luz necessária para atingir as regiões infectadas e contribua para o planejamento de terapias mais individualizadas. A tecnologia, porém, ainda precisa avançar para que seu potencial seja confirmado na prática clínica.
Limitações e perspectivas
Apesar dos resultados promissores, a tecnologia ainda não está pronta para uso clínico rotineiro. As propriedades ópticas atribuídas aos tecidos foram obtidas principalmente a partir da literatura científica e, por isso, ainda não contemplam toda a variabilidade existente entre os indivíduos. Novos testes serão necessários para aperfeiçoar o modelo e confirmar, com maior precisão, a quantidade de luz que efetivamente alcança cada região dos pulmões em diferentes condições clínicas.
Vanderlei Bagnato, coordenador da Unidade Embrapii Instituto de Física de São Carlos da USP e líder do projeto, explicou ao Correio que o estudo integra uma pesquisa mais ampla sobre o uso da terapia fotodinâmica no combate a infecções pulmonares. A iniciativa busca ampliar as possibilidades de aplicação dessa abordagem, especialmente em situações nas quais os tratamentos convencionais apresentam limitações.
Radiação
Nesse tratamento, o paciente inala moléculas que se ligam à região infectada e são posteriormente ativadas pela luz aplicada externamente. Para que o procedimento funcione adequadamente, entretanto, é necessário compreender como a radiação atravessa os tecidos e chega ao local onde deve atuar. A quantidade de luz que alcança a área afetada é um dos fatores que podem influenciar os resultados da terapia.
"Saibamos como a luz está chegando nas partes do pulmão. Daí a importância desse trabalho. Ele permite saber o quanto de luz vai chegar e se é suficiente para eliminar ou alterar a infecção", afirmou Bagnato. Segundo o pesquisador, o gêmeo digital do tórax representa uma nova técnica na qual a equipe tem investido para tratar casos de pneumonia que não respondem aos antibióticos. "Se formos bem-sucedidos no geral, salvaremos milhões de vidas", acrescentou.
Estagiária sob supervisão de Marcelo Abreu
Diversão e Arte
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