Agora, cientistas liderados pela Universidade Northwestern e pela Universidade Soochow na China desenvolveram o primeiro detector baseado em perovskita que pode capturar raios gama individuais para imagens SPECT com precisão recorde. A nova ferramenta pode tornar os tipos comuns de imagens de medicina nuclear mais nítidos, rápidos, econômicos 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 conhecidas principalmente por transformar 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 detectores de perovskita podem produzir as imagens nítidas e confiáveis que os médicos precisam para oferecer o melhor atendimento a seus pacientes.”

“Nossa abordagem não apenas melhora o desempenho dos detectores, mas também pode reduzir custos”, afirmou Yihui He, coautor correspondente e professor da 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 Laboratório Nacional Argonne. Yihui He é um ex-pesquisador de pós-doutorado do laboratório de Kanatzidis.

O Funcionamento da Medicina Nuclear

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 passam através dos tecidos e eventualmente atingem um detector fora do corpo. Cada raio gama é como um pixel de luz. Após coletar milhões desses pixels, os computadores podem construir uma imagem 3D de órgãos em funcionamento.

Os detectores atuais, feitos de telureto de cádmio e zinco (CZT) ou iodeto de sódio (NaI), possuem várias desvantagens. Os detectores CZT são extremamente caros, podendo custar centenas de milhares a milhões de dólares por uma câmera inteira. Além disso, como os cristais de CZT são frágeis e propensos a fissuras, esses detectores são difíceis de fabricar. Embora 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. Em 2013, Kanatzidis descobriu que cristais únicos de perovskita eram altamente promissores para a detecção de raios X e raios gama. Essa descoberta, possibilitada pelo crescimento de cristais únicos de alta qualidade por seu grupo, gerou uma onda de pesquisa mundial e efetivamente lançou uma nova área no desenvolvimento de materiais para detecção de radiações duras.

“Este trabalho demonstra até onde podemos levar os detectores de perovskita além do laboratório”, disse Kanatzidis. “Quando descobrimos, em 2013, que cristais únicos de perovskita podiam detectar raios X e raios gama, podíamos apenas imaginar seu potencial. Agora, estamos mostrando que detectores baseados em perovskita podem entregar a resolução e a sensibilidade necessárias para aplicações exigentes, como a imagem de medicina nuclear. É emocionante ver essa tecnologia se aproximando de um impacto real.”

Com base nessa fundação, Kanatzidis e He lideraram o crescimento de cristal, 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.

He, liderando o design e desenvolvimento do protótipo do detector de raios gama, desenvolveu a arquitetura pixelada da câmera, otimizou a eletrônica de leitura multi-canal e realizou experimentos de imagem de alta resolução que validaram as capacidades do dispositivo. Ele, Kanatzidis e sua equipe demonstraram que detectores baseados em perovskita podem alcançar resoluções de energia recordes e desempenho de imagem de fóton único sem precedentes, abrindo caminho para a integração prática em sistemas de imagem de medicina nuclear de próxima geração.

Desenvolvendo a Câmera de Raios Gama

“Projetar esta câmera de raios gama e demonstrar seu desempenho foi incrivelmente gratificante”, disse He. “Ao combinar cristais de perovskita de alta qualidade com um detector pixelado cuidadosamente otimizado e um sistema de leitura multi-canal, conseguimos alcançar uma resolução de energia e capacidades de imagem recordes. Este trabalho mostra o verdadeiro potencial dos detectores baseados em perovskita para transformar a imagem de medicina nuclear.”

Em experimentos, o detector foi capaz de diferenciar entre raios gama de diferentes energias com a melhor resolução relatada até o momento. 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 capazes de separar pequenas fontes radioativas espaçadas a apenas alguns milímetros. 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 poderão precisar de tempos de exame mais curtos ou de doses menores de radiação.

A empresa Actinia Inc., uma sociedade derivada da Northwestern, está comercializando essa tecnologia — trabalhando com parceiros no campo de dispositivos médicos para levá-la do laboratório para os hospitais. Por serem mais fáceis de cultivar e usarem componentes mais simples, as perovskitas oferecem uma alternativa muito menos cara aos detectores CZT e NaI sem sacrificar a qualidade. Detectores baseados em perovskita também oferecem um caminho realista para imagens usando uma dose menor de um radiotraçador do que pode ser usado com um detector NaI, mas a um preço que garante amplo acesso aos pacientes.

“Demonstrar que as perovskitas podem entregar imagens de raios gama de fóton único é um marco”, disse He. “Isso mostra que esses materiais estão prontos para sair do laboratório e entrar em tecnologias que beneficiam diretamente a saúde humana. A partir daqui, vemos oportunidades para refinar ainda mais os detectores, aumentar a produção e explorar direções completamente novas na imagem médica.”

“A medicina nuclear de alta qualidade não deve ser limitada a hospitais que podem arcar com o equipamento mais caro”, disse Kanatzidis. “Com as perovskitas, podemos abrir a porta para exames mais claros, rápidos e seguros para muito mais pacientes ao redor do mundo. O objetivo final é exames melhores, diagnósticos melhores e melhor atendimento para os pacientes.”

O estudo, “Imagem de raios gama de fóton único com alta resolução de energia e espacial em semicondutores de perovskita para medicina nuclear“, foi apoiado pela Agência de Redução da Ameaça de Defesa (número do prêmio HDTRA12020002), pelo Consórcio para Interação da Radiação Ionizante com a Matéria, pela Aliança de Pesquisa Universitária, pelo Programa Nacional de P&D Chinesa (número do prêmio 2021YFF0502600), pela Fundação Nacional de Ciência Natural da China (número do prêmio U2267211) e pela Fundação de Ciência Natural de Jiangsu (número do prêmio BK20240822).