Tecnologia desenvolvida por pesquisadores da USP simula como a luz atravessa o corpo e chega aos pulmões, permitindo calcular intensidade, posição e tempo de aplicação de terapias de acordo com a anatomia e a doença de cada paciente

Pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP), em colaboração com cientistas de instituições internacionais, desenvolveram um modelo computacional capaz de criar um “gêmeo digital” do tórax humano para planejar tratamentos de doenças pulmonares por meio da aplicação externa de luz.

A tecnologia utiliza imagens de tomografia computadorizada para reproduzir virtualmente a anatomia de cada paciente e calcular como a radiação luminosa atravessa pele, gordura, músculos, ossos e outros tecidos até alcançar os pulmões.

A proposta é permitir que terapias baseadas em luz sejam ajustadas individualmente, levando em consideração não apenas as características físicas de cada pessoa, mas também o tipo e a localização da doença pulmonar.

O estudo foi publicado na revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Luz precisa atravessar diferentes tecidos

Tratamentos com luz já são utilizados contra inflamações e infecções em diferentes partes do organismo. Entre as técnicas estão a terapia fotodinâmica, na qual a luz ativa uma substância capaz de destruir microrganismos, e a fotobiomodulação, que emprega luz de baixa intensidade para interferir em processos celulares e respostas inflamatórias.

Nos pulmões, porém, existe um desafio importante: para que o procedimento seja realizado sem a introdução de equipamentos no organismo, a luz aplicada sobre o tórax precisa atravessar diversas camadas de tecidos antes de atingir o órgão.

Durante esse percurso, parte da radiação é absorvida ou espalhada. Isso significa que uma mesma quantidade de luz aplicada em duas pessoas pode resultar em doses muito diferentes nos pulmões.

Para enfrentar o problema, os pesquisadores combinaram tomografias, reconstruções anatômicas em três dimensões e simulações computacionais de alta capacidade.

O resultado é um modelo virtual individualizado capaz de estimar quanto da luz aplicada externamente efetivamente alcançará cada região pulmonar.

Doença também interfere na passagem da luz

Além das diferenças anatômicas entre os pacientes, os pesquisadores observaram que o próprio tipo de doença modifica a forma como a luz se distribui nos pulmões.

Foram analisadas imagens de pessoas com diferentes condições pulmonares, incluindo pneumonia bacteriana focal, pneumonia bacteriana difusa e pneumonia viral causada pela Covid-19, além de um indivíduo sem doença pulmonar usado como referência.

No pulmão saudável analisado, cerca de 91% do órgão era formado por tecido normal. Esse percentual caiu para 58,9% no paciente com pneumonia focal e para 54,1% no caso de pneumonia difusa. No paciente com Covid-19, aproximadamente 69,9% do pulmão estava preservado.

Inflamações, áreas colapsadas e alterações nos vasos sanguíneos tornam o pulmão mais denso e modificam sua interação com a luz.

Por isso, segundo os pesquisadores, aplicar a mesma potência, durante o mesmo período e na mesma posição em todos os pacientes pode não produzir o resultado esperado.

Posição da luz faz diferença

As simulações também avaliaram diferentes comprimentos de onda e formas de posicionar as fontes luminosas ao redor do tórax.

A luz de 808 nanômetros, situada na faixa do infravermelho próximo e invisível ao olho humano, apresentou a maior deposição de energia nos pulmões entre as alternativas avaliadas.

O posicionamento das fontes também se mostrou decisivo. A combinação de iluminação nas regiões lateral e dorsal do tórax proporcionou distribuição mais uniforme e maior deposição de energia nos pulmões.

Já a iluminação realizada somente pela parte frontal apresentou desempenho inferior, principalmente devido à presença das costelas e do tecido adiposo das mamas.

Os resultados reforçam a necessidade de adaptar o tratamento ao quadro de cada paciente. Uma pneumonia localizada, por exemplo, pode exigir uma estratégia diferente daquela utilizada em uma infecção extensa nos dois pulmões.

Modelo calcula quanto de luz chega ao pulmão

As simulações mostraram ainda que apenas uma pequena parcela da luz aplicada sobre a pele consegue efetivamente alcançar os pulmões.

Na configuração considerada mais eficiente, com luz infravermelha de 808 nanômetros, a quantidade calculada no pulmão saudável foi superior à observada nos pulmões afetados pelas diferentes doenças estudadas.

Apesar da baixa quantidade de luz que chega ao órgão, os pesquisadores estimam que períodos de aplicação entre 40 e 80 minutos podem ser suficientes para alcançar doses utilizadas em técnicas como fotobiomodulação e terapia fotodinâmica.

Com o “gêmeo digital”, seria possível testar virtualmente diferentes intensidades, posições das fontes e comprimentos de onda antes da aplicação no paciente.

Tecnologia ainda está em fase experimental

Apesar dos resultados promissores, o modelo ainda não está disponível para uso clínico.

Os pesquisadores destacam que serão necessárias novas etapas de validação para determinar com maior precisão a quantidade de luz que efetivamente chega aos pulmões.

Os estudos já avançaram para experimentos in vivo com ovelhas nos Estados Unidos. Segundo a equipe, esses animais apresentam características de pneumonia semelhantes às observadas em seres humanos, o que permitirá avaliar a tecnologia antes de futuros testes clínicos.

A expectativa é que, no futuro, o sistema permita planejar tratamentos personalizados, determinando não apenas a quantidade de luz aplicada sobre a pele, mas a dose que precisa alcançar especificamente a região pulmonar afetada.

Os pesquisadores também defendem que o desenvolvimento da tecnologia considere seu custo e a possibilidade de utilização em larga escala, inclusive no Sistema Único de Saúde (SUS).

O estudo recebeu financiamento da FAPESP por meio do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CEPOF) e do Projeto Temático “Tecnologias Fotônicas Avançadas para as Ciências da Vida”.