'Gêmeo digital' personaliza tratamento de pneumonias com luz infravermelha

Pesquisadores da Universidade de São Paulo criaram um modelo computacional tridimensional do tórax humano capaz de prever com precisão o caminho que a luz infravermelha percorre dentro do corpo. O objetivo é personalizar o tratamento de pneumonias e outras infecções respiratórias usando terapias baseadas em luz, sem necessidade de procedimentos invasivos. O trabalho, publicado este mês na PNAS (revista da Academia de Ciências dos Estados Unidos), representa um avanço significativo em como os médicos podem planejar tratamentos fotônicos antes de aplicá-los nos pacientes.

O desafio que os pesquisadores enfrentavam era fundamental: o pulmão é um órgão extremamente complexo para terapias com luz. Uma alternativa tradicional seria inserir um tubo fino com câmera (broncoscópio) pela boca ou nariz do paciente para levar a luz diretamente ao órgão, mas esse procedimento é invasivo e pode piorar a condição do doente. A iluminação externa, aplicada através da pele, é muito mais simples — mas apresenta um problema igualmente complexo. A luz precisa atravessar múltiplas camadas de tecido diferentes: pele, gordura, músculos, ossos, costelas. Além disso, o próprio pulmão não é homogêneo. Ar, tecido pulmonar normal, vasos sanguíneos, regiões colapsadas pela inflamação — cada um desses componentes absorve e espalha a luz de maneira distinta. Uma pneumonia focal concentrada em uma região específica cria um padrão óptico diferente de uma pneumonia difusa que afeta várias áreas, que por sua vez é diferente da distribuição causada pela covid-19.

Para resolver essa complexidade, os pesquisadores, coordenados pela professora Cristina Kurachi do Instituto de Física de São Carlos da USP, junto com Vanderlei Bagnato e colaboradores do Hospital das Clínicas, da Texas A&M University e da Victoria University of Wellington, desenvolveram o "gêmeo digital". O processo começa com uma tomografia computadorizada de alta resolução do paciente. As imagens são transformadas em um modelo tridimensional detalhado no qual o computador identifica e separa 12 tipos diferentes de estrutura: pele, gordura subcutânea, músculos, ossos, coração, fígado, estômago, rins, e dentro dos pulmões, tecido normalmente aerado, regiões colapsadas, infiltrados inflamados e vasos sanguíneos. Esse modelo é então dividido em pequenos cubos chamados voxels — equivalentes tridimensionais dos pixels — cada um medindo 0,1 centímetro de lado.

Com a anatomia mapeada, os pesquisadores atribuem a cada tecido suas propriedades ópticas específicas: quanto de luz é absorvido, quanto é espalhado, em diferentes comprimentos de onda. Entra então em cena a simulação de Monte Carlo, um método computacional que calcula o destino de milhões de fótons à medida que avançam, são espalhados ou absorvidos pelos diferentes tecidos. Em vez de buscar uma única solução matemática para um problema impossível de resolver analiticamente, o computador simula o comportamento probabilístico de cada partícula de luz.

Os resultados foram reveladores. A posição das fontes de luz mostrou-se decisiva. Quando a luz infravermelha de 808 nanômetros era aplicada simultaneamente nas regiões lateral e dorsal do tórax, a distribuição era mais uniforme e a energia se depositava melhor nos pulmões. A iluminação exclusivamente frontal tinha desempenho inferior, principalmente porque as costelas e o tecido adiposo das mamas atenuavam significativamente a radiação. As simulações também mostraram que regiões pulmonares colapsadas — onde os alvéolos perdem ar e o tecido fica mais denso — recebem proporcionalmente mais energia (entre 3% e 4,5%), enquanto o tecido pulmonar normal aerado recebe menos (1% a 2%), e regiões infiltradas pela inflamação ficam no meio. Esse padrão é positivo do ponto de vista terapêutico, porque significa que a maior quantidade de energia se concentra justamente onde a doença está estabelecida, poupando o tecido saudável.

Os cálculos revelaram também uma realidade humilhante: apenas uma pequena fração da luz aplicada na pele consegue chegar aos pulmões. Com a melhor configuração testada — luz infravermelha de 808 nanômetros e intensidade de 100 miliwatts por centímetro quadrado na pele — a intensidade média que chegava ao pulmão saudável era de apenas 0,0234 miliwatts por centímetro quadrado. Nos pulmões doentes, era ainda menor: 0,0166 em pneumonia focal, 0,0120 em pneumonia difusa, 0,0113 em covid-19. Isso significa que, na prática, o tratamento requer longos períodos de iluminação — entre 40 e 80 minutos — para atingir as doses de energia necessárias para a fotobiomodulação e a terapia fotodinâmica.

O fluxo de trabalho imaginado pelos pesquisadores para uso clínico futuro é preciso. Um médico começaria com uma tomografia ou ressonância magnética de alta resolução, gerando o gêmeo digital do paciente. O modelo receberia as propriedades ópticas correspondentes aos diferentes tecidos. Simulações computacionais calculariam então a propagação da luz naquele tórax específico. O médico poderia testar virtualmente diferentes comprimentos de onda, intensidades e posições das fontes antes de realizar o procedimento real, escolhendo a configuração mais adequada. O gêmeo digital funcionaria como um campo de ensaio computacional para o tratamento.

Mas há ressalvas importantes. O modelo ainda não está pronto para uso clínico. As propriedades ópticas atribuídas aos tecidos foram obtidas principalmente da literatura científica e não reproduzem todas as variações individuais. Embora os resultados das simulações sejam compatíveis com medições experimentais, ainda será necessária validação mais rigorosa. Os pesquisadores já começaram essa etapa: estão realizando estudos in vivo em ovelhas nos Estados Unidos, animal que desenvolve pneumonia semelhante à humana, inclusive causada pela mesma bactéria. Os próximos passos incluem novas validações experimentais e clínicas, e futuramente, medição da dose de luz em tempo real. Vanderlei Bagnato enfatiza uma preocupação que vai além da sofisticação tecnológica: a necessidade de que qualquer tratamento resultante seja acessível, viável para o Sistema Único de Saúde, e não se torne uma tecnologia de custo proibitivo que beneficie apenas uma pequena parcela da população.