O nouă metodă nedistructivă pentru detectarea microplasticelor în țesuturile umane: tehnologia OPTIR

Microplasticele au devenit o componentă omniprezentă a mediului, iar dovezile privind pătrunderea lor în organismul uman sunt din ce în ce mai numeroase. Cu toate acestea, înțelegerea efectelor lor asupra sănătății a fost până acum limitată de absența unor metode care să permită identificarea precisă a particulelor în țesut, fără distrugerea structurii tisulare. O echipă de cercetători de la Universitatea de Medicină din Viena, în colaborare cu RECENDT GmbH - Centrul de Cercetare pentru Testare Nedistructivă din Linz, a adaptat și validat o metodă inovatoare – Spectroscopie optică fototermică în infraroșu (OPTIR) – pentru detectarea microplasticelor în țesuturi mamifere intacte.
Microplasticele sunt particule de plastic cu dimensiuni mai mici de cinci milimetri, provenite din degradarea materialelor plastice sau din produse concepute în mod intenționat sub formă de particule foarte mici. Ele pot ajunge în organism prin aer, apă sau alimentație. În lipsa unor instrumente adecvate, cercetarea medicală s-a lovit de două obstacole majore:

• metodele sensibile de analiză chimică distrug adesea țesutul;
• metodele nedistructive existente nu permit localizarea exactă a particulelor în arhitectura tisulară.

În practică, aceasta înseamnă că, până de curând, era foarte dificil de răspuns la întrebări de tipul: Unde, exact, se acumulează microplasticele? Sunt ele asociate cu focare de inflamație sau cu leziuni celulare specifice? Lipsa unei metode capabile să păstreze atât informația chimică, cât și cea spațială, a limitat posibilitatea de a corela expunerea la microplastice cu boli cronice, în special în domenii precum patologia digestivă, cardiovasculară sau oncologia.

Despre studiu

Tehnologia OPTIR – „amprenta” în infraroșu a microplasticelor

Tehnologia OPTIR – Optical Photothermal Infrared Spectroscopy – a fost inițial dezvoltată pentru a vizualiza structuri chimice în materiale complexe cu rezoluție spațială înaltă. Principiul este următorul:

• un fascicul de lumină laser în infraroșu încălzește local materialul;
• fiecare tip de plastic (de exemplu, polietilenă, polistiren, polietilen tereftalat) răspunde într-un mod specific, determinat de structura sa chimică;
• un al doilea fascicul de lumină detectează modificările fototermale induse, generând un spectru caracteristic – o „amprentă” în infraroșu care permite identificarea unică a materialului;
• analiza se face fără contact direct cu proba și fără a distruge structura tisulară.

Elementul esențial al studiului este faptul că această metodă a fost aplicată cu succes pe probe de țesut fixate în formol și incluse în parafină, așa cum sunt ele procesate și arhivate în rutina de anatomie patologică (blocuri FFPE). Aceasta permite:

• detectarea microplasticelor în țesuturi umane deja existente în arhive;
• corelarea directă cu examinarea histologică clasică și cu analize genetice sau moleculare;
• păstrarea completă a arhitecturii tisulare, ceea ce permite integrarea informației despre microplastice în contextul inflamației, fibrozării sau transformării neoplazice.

Modelul de studiu: țesut uman, modele animale și culturi tridimensionale

Cercetătorii au utilizat un design experimental în trepte, care a inclus:

• țesuturi umane – în special colon uman, procesat în mod standard pentru anatomie patologică;
• modele animale – țesuturi de la șoarece, unde particulele de plastic au fost administrate controlat, pentru a testa limitele de rezoluție și sensibilitate ale metodei;
• culturi celulare tridimensionale – structuri derivate dintr-o linie de carcinom colorectal, care reproduc mai bine arhitectura și comportamentul celulelor în țesut comparativ cu culturile bidimensionale.

Ca „standard” experimental, au fost folosite particule sferice de polistiren, deoarece proprietățile lor sunt bine caracterizate și permit evaluarea clară a performanței metodei. Ulterior, tehnologia a fost extinsă pentru a identifica și alte tipuri de plastic relevante în viața de zi cu zi, precum polietilena și polietilen tereftalatul.

Analiza spectrală și procesarea imaginilor

Pe lângă achiziția de imagini spectrale la nivel unicelular, echipa a integrat o componentă de inteligență artificială. Algoritmi de învățare automată au fost utilizați pentru:

• recunoașterea automată a particulelor de micro- și nanoplastic în imagini complexe;
• clasificarea particulelor în funcție de semnătura lor spectrală;
• creșterea vitezei de analiză și reducerea riscului de erori umane.

În paralel, metoda a fost comparată cu spectroscopia în infraroșu cu transformată Fourier, utilizată frecvent în analiza materialelor, pentru a determina dacă OPTIR aduce beneficii reale în contextul țesuturilor biologice.

Rezultate

Detectarea microplasticelor în colonul uman

Aplicarea OPTIR pe secțiuni de colon uman a permis identificarea clară a mai multor tipuri de microplastice, în special:

• polietilenă;
• polistiren;
• polietilen tereftalat.

Un element important subliniat de autori este că aceste particule au fost observate în mod repetat în zone cu modificări inflamatorii. Această corelație spațială nu dovedește o relație cauzală, dar oferă un prim indiciu că acumularea microplasticelor poate fi asociată cu focare de inflamație cronică la nivelul mucoasei intestinale.

Performanță la scară nano: detecția particulelor extrem de mici

Experimentele pe modele animale și pe culturi celulare tridimensionale au arătat că:

• metoda poate detecta particule până la circa 200–250 de nanometri în diametru – adică de aproximativ 400 de ori mai mici decât diametrul unui fir de păr uman;
• în țesutul renal de șoarece, particulele individuale de polistiren de 200 de nanometri au fost identificate clar, cu un raport semnal–zgomot foarte bun;
• imagistica este nedistructivă și fără contact, iar spectrele obținute sunt suficient de curate pentru a permite identificarea chimică fără ambiguitate.

Comparativ cu spectroscopia convențională în infraroșu, OPTIR a furnizat:

• rezoluție spațială superioară – particule mult mai mici pot fi distinse individual;
• semnal de calitate mai bună în matrice biologice complexe – cum ar fi țesutul bogat în proteine, lipide și apă;
• posibilitatea de a analiza secțiuni histologice standard, pregătite similar cu probele din rutina de anatomie patologică.

Accelerarea analizei prin învățare automată

Introducerea unui algoritm semiautomat de analiză a imaginilor a permis:

• screening rapid al întregii secțiuni tisulare;
• identificarea automată a regiunilor cu probabilitate mare de a conține microplastice;
• reducerea timpului de analiză pe probă și limitarea subiectivității.

Aceste progrese sunt esențiale pentru a face metoda aplicabilă nu doar în cercetare, ci și, potențial, în studii populaționale mai ample sau în serii mari de cazuri clinice arhivate.

Implicații și concluzii

De la tehnică experimentală la instrument pentru cercetare clinică

Rezultatele obținute demonstrează că tehnologia OPTIR poate oferi:

• identificare chimică precisă a micro- și nanoplasticelor în țesuturi mamifere;
• păstrarea intactă a arhitecturii tisulare, permițând corelarea directă cu inflamația, leziunile structurale sau modificările neoplazice;
• aplicabilitate pe probe FFPE, ceea ce deschide accesul la arhive vaste de țesut uman deja existente;
• o rezoluție spațială superioară și imagini cu mai puține artefacte decât metodele infraroșu convenționale.

Faptul că metoda poate fi aplicată retroactiv pe blocuri de țesut arhivate este deosebit de valoros: permite reevaluarea cazurilor cu boli inflamatorii cronice, neoplazii sau alte patologii, pentru a căuta eventuale asocieri între încărcarea cu microplastice și profilul histopatologic.

Microplasticele și bolile cronice – o nouă fereastră de cercetare

Studiul nu își propune să demonstreze o relație cauzală între microplastice și o anumită boală, ci să ofere instrumentul tehnic necesar pentru ca astfel de ipoteze să fie testate riguros. Prin posibilitatea de a vedea simultan:

• unde se află microplasticele în structură;
• ce tip de plastic este prezent;
• ce fel de reacție tisulară este asociată (inflamație, fibroză, necroză, proliferare celulară),

se creează cadrul pentru studii viitoare care să exploreze legături între expunerea la microplastice și boli cronice digestive, metabolice, cardiovasculare sau oncologice.

Un posibil nou standard în cercetarea medicală a microplasticelor

Tehnologia OPTIR – sau O-PTIR, cum este denumită în varianta utilizată pentru imagistica în infraroșu în gama medie – s-a dovedit a fi:

• etichetă-independentă (nu necesită marcarea particulelor);
• nedistructivă pentru țesut;
• cu rezoluție înaltă, capabilă să distingă particule în intervalul nanometric;
• suportată de analiză automatizată, compatibilă cu volume mari de date.

Aceste caracteristici transformă OPTIR într-un potențial standard de referință pentru viitoarele studii asupra microplasticelor în medicină, permițând o trecere de la simple observații de prezență a particulelor la analize spațial corelate cu procese patologice concrete.