Os médicos utilizam exames de medicina nuclear, como os exames SPECT, para observar o funcionamento do coração, monitorar o fluxo sanguíneo e detectar doenças ocultas no corpo. No entanto, os scanners atuais dependem de detectores caros e difíceis de fabricar.
Agora, cientistas liderados pela Universidade Northwestern e pela Universidade Soochow na China desenvolveram o primeiro detector à base de perovskita que pode capturar raios gama individuais para a imagem SPECT com uma precisão recorde. A nova ferramenta pode tornar tipos comuns de imagem em medicina nuclear mais nítidos, rápidos, baratos e seguros.
Para os pacientes, isso pode significar tempos de exame mais curtos, resultados mais claros e doses de radiação mais baixas.
O estudo foi publicado em 30 de agosto na revista Nature Communications.
“As perovskitas são uma família de cristais mais conhecidas por transformarem o campo da energia solar”, disse Mercouri Kanatzidis da Northwestern, autor sênior do estudo. “Agora, elas estão prestes a fazer o mesmo pela medicina nuclear. Esta é a primeira prova clara de que os detectores de perovskita podem produzir o tipo de imagens nítidas e confiáveis que os médicos precisam para fornecer o melhor atendimento aos seus pacientes.”
“Nossa abordagem não apenas melhora o desempenho dos detectores, mas também pode reduzir custos”, afirmou o co-autor Yihui He, professor na Universidade Soochow. “Isso significa que mais hospitais e clínicas poderão ter acesso às melhores tecnologias de imagem.”
Kanatzidis é Professor de Química Charles E. e Emma H. Morrison no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e cientista sênior no Argonne National Laboratory. Yihui He é um ex-pesquisador pós-doutoral do laboratório de Kanatzidis.
A medicina nuclear, como a imagem SPECT (tomografia por emissão de fóton único), funciona como uma câmera invisível. Os médicos implantam um pequeno radiotraçador seguro e de curta duração em uma parte específica do corpo do paciente. O traçador emite raios gama, que atravessam os tecidos e eventualmente atingem um detector fora do corpo. Cada raio gama é como um pixel de luz. Depois de coletar milhões desses pixels, computadores podem construir uma imagem 3D de órgãos em funcionamento.
Os detectores atuais, que são feitos de telureto de cádmio e zinco (CZT) ou iodeto de sódio (NaI), apresentam várias desvantagens. Os detectores CZT são extremamente caros, alcançando às vezes a faixa de centenas de milhares a milhões de dólares para uma câmera inteira. Como os cristais de CZT são frágeis e propensos a trincas, esses detectores também são difíceis de fabricar. Embora sejam mais baratos que os detectores CZT, os detectores NaI são volumosos e produzem imagens mais embaçadas – como tirar uma foto através de uma janela embaçada.
Para superar esses problemas, os cientistas recorreram aos cristais de perovskita, um material que Kanatzidis estuda há mais de uma década. Em 2012, seu grupo construiu as primeiras células solares de filme sólido feitas de perovskitas. Depois, em 2013, Kanatzidis descobriu que cristais únicos de perovskita eram altamente promissores para detectar raios X e raios gama. Essa descoberta, possibilitada pelo crescimento de cristais únicos de alta qualidade por seu grupo, gerou um aumento global de pesquisas e efetivamente lançou um novo campo de materiais de detecção de radiação dura.
“Este trabalho demonstra até onde podemos levar os detectores de perovskita além do laboratório”, disse Kanatzidis. “Quando descobrimos em 2013 que cristais de perovskita únicos podiam detectar raios X e raios gama, só podíamos imaginar seu potencial. Agora, estamos mostrando que detectores à base de perovskita podem fornecer a resolução e a sensibilidade necessárias para aplicações exigentes, como a imagem em medicina nuclear. É empolgante ver essa tecnologia se aproximando de um impacto no mundo real.”
Com base nessa fundação, Kanatzidis e He conduziram o crescimento de cristais, engenharia de superfície e design de dispositivos para o novo estudo. Ao cultivar e moldar cuidadosamente esses cristais, os pesquisadores criaram um sensor pixelado – assim como os pixels em uma câmera de smartphone – que oferece clareza e estabilidade recordes.
Ao liderar o design e desenvolvimento do protótipo do detector de raios gama, He desenvolveu a arquitetura pixelada da câmera, otimizou a eletrônica de leitura de múltiplos canais e realizou os experimentos de imagem de alta resolução que validaram as capacidades do dispositivo. He, Kanatzidis e sua equipe demonstraram que os detectores à base de perovskita podem alcançar resoluções de energia recordes e um desempenho de imagem de fóton único sem precedentes, abrindo caminho para a integração prática em sistemas de imagem de medicina nuclear de próxima geração.
“Projetar esta câmera de raios gama e demonstrar seu desempenho tem sido extremamente gratificante”, disse He. “Ao combinar cristais de perovskita de alta qualidade com um detector pixelado cuidadosamente otimizado e um sistema de leitura de múltiplos canais, conseguimos alcançar resolução de energia recorde e capacidades de imagem. Este trabalho mostra o verdadeiro potencial dos detectores à base de perovskita para transformar a imagem em medicina nuclear.”
Nos experimentos, o detector foi capaz de diferenciar entre raios gama de diferentes energias com a melhor resolução já relatada. Ele também detectou sinais extremamente fracos de um radiotraçador médico (tecnecio-99m) comumente usado na prática clínica e distinguiu características incrivelmente finas, produzindo imagens nítidas que poderiam separar fontes radioativas pequenas posicionadas a apenas alguns milímetros de distância. O detector também permaneceu altamente estável, coletando quase todo o sinal do traçador sem perda ou distorção. Como esses novos detectores são mais sensíveis, os pacientes potencialmente poderiam precisar de tempos de escaneamento mais curtos ou de doses menores de radiação.
A empresa spinout da Northwestern, Actinia Inc., está comercializando essa tecnologia – trabalhando com parceiros no campo de dispositivos médicos para trazê-la do laboratório para os hospitais. Como são mais fáceis de cultivar e usam componentes mais simples, as perovskitas oferecem uma alternativa muito menos cara aos detectores CZT e NaI sem sacrificar a qualidade. Os detectores à base de perovskita também oferecem um caminho realista para a imagem usando uma dose menor de um radiotraçador do que pode ser usada com um detector NaI, mas a um preço que garante o acesso generalizado dos pacientes.
“Demonstrar que as perovskitas podem fornecer imagem de raios gama de fótons únicos é um marco”, disse He. “Isso mostra que esses materiais estão prontos para avançar além do laboratório e para tecnologias que beneficiam diretamente a saúde humana. A partir daqui, vemos oportunidades para refinar ainda mais os detectores, aumentar a produção e explorar novas direções inteiramente novas na imagem médica.”
“A medicina nuclear de alta qualidade não deve ser limitada a hospitais que podem arcar com os equipamentos mais caros”, disse Kanatzidis. “Com as perovskitas, podemos abrir a porta para exames mais claros, rápidos e seguros para muitos mais pacientes ao redor do mundo. O objetivo final é melhores exames, melhores diagnósticos e melhor atendimento para os pacientes.”
O estudo, “Imagem γ-ray de fóton único com alta energia e resolução espacial em semicondutor perovskita para medicina nuclear”, foi apoiado pela Agência de Redução de Ameaças de Defesa (número do prêmio HDTRA12020002), o Consórcio para Interação de Radiação Ionizante com a Aliança de Pesquisa Universitária, o Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Fundamental da China (número do prêmio 2021YFF0502600), a Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (número do prêmio U2267211) e a Fundação de Ciências Naturais de Jiangsu (número do prêmio BK20240822).
