La diagnosi di malattie basate sugli organi interni si basa spesso su campioni bioptici raccolti nelle regioni colpite. Ma la raccolta di tali campioni è altamente soggetta a errori a causa dell'incapacità delle attuali tecniche di imaging endoscopico di visualizzare con precisione i siti della malattia. Gli elementi ottici convenzionali nei cateteri utilizzati per accedere alle aree del corpo difficili da raggiungere, come il tratto gastrointestinale e le vie aeree polmonari, sono soggetti ad aberrazioni che ostacolano le piene capacità dell'imaging ottico.

Ora, esperti in imaging endoscopico presso il Massachusetts General Hospital (MGH) e pionieri della tecnologia dei metalli piatti presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hanno unito le forze per sviluppare una nuova classe di cateteri per imaging endoscopico, denominati endoscopi nano-ottici, che superano i limiti dei sistemi attuali.

La ricerca è descritta in Fotonica della natura .

"L'adozione clinica di molte modalità di microscopia endoscopica all'avanguardia è stata ostacolata dalla difficoltà di progettare cateteri in miniatura che raggiungano la stessa qualità di immagine dei microscopi da tavolo ingombranti, " ha detto Melissa Suter, un assistente professore di Medicina presso MGH e Harvard Medical School (HMS) e co-autore senior del documento. "L'uso di cateteri nano-ottici che incorporano metalense nel loro design cambierà probabilmente il panorama della progettazione di cateteri ottici, determinando un notevole aumento della qualità, risoluzione, e funzionalità della microscopia endoscopica. Ciò alla fine aumenterà l'utilità clinica consentendo una valutazione più sofisticata della microstruttura cellulare e tissutale nei pazienti viventi".

"I metalli basati sull'ottica piatta sono una nuova tecnologia rivoluzionaria perché il controllo delle distorsioni dell'immagine necessarie per l'imaging ad alta risoluzione è semplice rispetto all'ottica convenzionale, che richiede più lenti dalla forma complessa, " disse Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering presso SEAS e co-autore senior dell'articolo. "Sono fiducioso che questo porterà a una nuova classe di sistemi e strumenti ottici con un'ampia gamma di applicazioni in molti settori della scienza e della tecnologia"

"La versatilità e la flessibilità di progettazione dell'endoscopio nano-ottico eleva significativamente le capacità di imaging endoscopico e probabilmente avrà un impatto sull'imaging diagnostico degli organi interni, " disse Hamid Pahlevaninezhad, Docente in Medicina presso MGH e HMS e co-primo autore del documento. "Abbiamo dimostrato un esempio di tali capacità per ottenere immagini ad alta risoluzione con una profondità di messa a fuoco notevolmente estesa".

Per dimostrare la qualità delle immagini dell'endoscopio nano-ottico, i ricercatori hanno ripreso la polpa della frutta, vie aeree di suini e ovini, e tessuto polmonare umano. Il team ha dimostrato che l'endoscopio nano-ottico può acquisire immagini in profondità nel tessuto con una risoluzione significativamente più elevata rispetto a quella fornita dagli attuali modelli di cateteri di imaging.

Le immagini catturate dall'endoscopio nano-ottico mostrano chiaramente le strutture cellulari negli strati di polpa e tessuto dei frutti e le ghiandole fini nella mucosa bronchiale di suini e ovini. Nel tessuto polmonare umano, i ricercatori sono stati in grado di identificare chiaramente le strutture che corrispondono a fini, ghiandole irregolari che indicano la presenza di adenocarcinoma, il tipo più importante di cancro ai polmoni.

"Attualmente, siamo in balia di materiali su cui non abbiamo alcun controllo per progettare obiettivi ad alta risoluzione per l'imaging, " disse Yao-Wei Huang, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore del documento. "Il vantaggio principale dei metalli è che possiamo progettare e adattare le sue specifiche per superare le aberrazioni sferiche e l'astigmatismo e ottenere una messa a fuoco molto fine della luce. Di conseguenza, otteniamo una risoluzione molto elevata con una profondità di campo estesa senza la necessità di componenti ottici complessi."

Prossimo, i ricercatori mirano a esplorare altre applicazioni per l'endoscopio nano-ottico, compreso un endoscopio nano-ottico sensibile alla polarizzazione, che potrebbe contrastare tra tessuti che hanno strutture altamente organizzate, come la muscolatura liscia, collagene e vasi sanguigni.