Pesquisadores da Rice University criaram o primeiro mapa molecular abrangente e sem rótulos do cérebro da doença de Alzheimer em um modelo animal. Este trabalho analisa mais de perto como a doença ocorre e se espalha. A doença de Alzheimer mata mais pessoas todos os anos do que o cancro da mama e da próstata juntos, sublinhando a urgência de compreender as suas causas.
A equipe usou métodos avançados de imagem por luz combinados com aprendizado de máquina para examinar o tecido cerebral de animais saudáveis e animais com doença de Alzheimer. Seus resultados foram publicados em Materiais e interfaces aplicados ACSrevelou que as alterações químicas associadas à doença de Alzheimer não se limitam às placas amilóides. Em vez disso, estas mudanças aparecem em padrões desiguais e complexos em todo o cérebro.
Imagens a laser revelam a química do cérebro em detalhes
Para detectar essas mudanças sutis, os cientistas recorrem à imagem Raman hiperespectral. Esta forma sofisticada de espectroscopia Raman usa lasers para detectar impressões digitais químicas únicas de moléculas dentro do tecido.
“A espectroscopia Raman tradicional mede a informação química de cada sítio molecular uma vez”, disse Ziyang Wang, primeiro autor do estudo e estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação na Universidade Rice. “A imagem hiperespectral Raman repete essa medição milhares de vezes em fatias inteiras de tecido para construir uma imagem completa. O resultado é uma imagem detalhada que mostra como a composição química muda entre as diferentes áreas do cérebro.”
Os pesquisadores escanearam todo o cérebro, fatia por fatia, compilando milhares de medições sobrepostas para construir mapas moleculares de alta resolução de tecidos saudáveis e doentes. Como a imagem não contém rótulos, as amostras não são processadas com corantes, proteínas fluorescentes ou marcadores moleculares.
“Isso significa que estamos olhando para o cérebro como ele é, capturando um retrato completo e inalterado de sua composição química”, disse Wang. “Acho que isso torna o método mais imparcial e mais adequado para descobrir novas alterações relacionadas a doenças que, de outra forma, poderiam passar despercebidas”.
O aprendizado de máquina mapeia os danos desiguais do Alzheimer
O processo de imagem gera grandes quantidades de dados, que a equipe usa aprendizado de máquina (ML) para analisar. Eles primeiro aplicaram aprendizado de máquina não supervisionado, permitindo que algoritmos detectassem padrões naturais em sinais químicos sem fazer suposições prévias. Esses modelos classificam os tecidos com base apenas em suas características moleculares. Os pesquisadores então usaram o aprendizado de máquina supervisionado para treinar o modelo para diferenciar entre amostras com e sem Alzheimer. Esta etapa ajuda a determinar quão fortemente as diferentes regiões do cérebro refletem os produtos químicos relacionados ao Alzheimer.
“Descobrimos que as alterações causadas pela doença de Alzheimer não estão distribuídas uniformemente pelo cérebro”, disse Wang. “Algumas áreas apresentam fortes alterações químicas, enquanto outras são menos afetadas. Este padrão desigual ajuda a explicar por que os sintomas aparecem gradualmente e por que os tratamentos que visam apenas um problema têm eficácia limitada”.
Distúrbios metabólicos em áreas de memória
Além do acúmulo de proteínas, o estudo encontrou diferenças metabólicas mais amplas entre cérebros saudáveis e com Alzheimer. Os níveis de colesterol e glicogênio variaram em diferentes regiões, com os contrastes mais marcantes observados em áreas responsáveis pela memória, particularmente o hipocampo e o córtex.
“O colesterol é importante para manter a estrutura das células cerebrais, enquanto o glicogênio atua como uma reserva de energia local”, disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e ciência de materiais e nanoengenharia e autor correspondente do estudo. “Tomadas em conjunto, estas descobertas apoiam a ideia de que a doença de Alzheimer envolve perturbações mais amplas na estrutura cerebral e no equilíbrio energético, em vez de apenas acumulação de proteínas e dobramento incorreto”, acrescentou Huang, que também é membro do Instituto Kennedy, do Instituto Rice Advanced Materials e do Instituto Smalley-Cole.
Uma compreensão mais ampla da progressão da doença de Alzheimer
O projeto decorre de discussões em andamento sobre novas formas de estudar o cérebro na doença de Alzheimer.
“Inicialmente, medimos apenas uma pequena área do tecido cerebral”, disse Wang. “Então pensei: e se pudéssemos mapear todo o cérebro e obter uma visão mais ampla? Serão necessárias várias rodadas de testes e tentativas e erros antes que a medição e a análise se unam perfeitamente.”
Quando o quadro químico completo finalmente se concretiza, o impacto é imediato.
“Surgiram padrões que eram invisíveis nas imagens convencionais”, disse Wang. “É profundamente gratificante ver esses resultados. Parece que estamos revelando uma camada oculta de informações que sempre esteve lá, esperando pelo método certo para análise.”
Ao fornecer o primeiro mapa químico detalhado e sem corantes do cérebro da doença de Alzheimer, este estudo fornece uma compreensão mais abrangente da doença. A equipe de pesquisa espera que as descobertas apoiem o diagnóstico precoce e estratégias mais eficazes para retardar a progressão.
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2246564, 1934977), pelos Institutos Nacionais de Saúde (1R01AG077016) e pela Fundação Welch (C2144).
