Cada tecido do corpo humano contém pequenas fibras que ajudam a coordenar o movimento, a função e a comunicação dos órgãos. As fibras musculares orientam a força física, as fibras intestinais apoiam o movimento no trato digestivo e as fibras cerebrais transportam sinais elétricos que permitem que diferentes áreas troquem informações. Juntos, esses complexos sistemas de fibras ajudam a moldar a estrutura de cada órgão e a mantê-los funcionando adequadamente.
Muitas doenças podem perturbar estas redes frágeis. No cérebro, danos às conexões de fibras ocorrem em quase todas as doenças neurológicas, resultando em alterações na comunicação neural.
Apesar do importante papel que essas microestruturas desempenham, estudá-las tem sido um desafio. Os pesquisadores têm lutado para determinar como as fibras são orientadas dentro dos tecidos, tornando difícil compreender completamente como elas mudam na saúde e na doença.
Maneira simples de revelar microestrutura oculta
Uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Marios Georgiadis, professor de neuroimagem, introduziu agora um método que pode tornar esses padrões de fibra difíceis de ver claramente visíveis a um custo relativamente baixo.
Sua tecnologia, descrita em comunicações da naturezachamado Computational Scattered Light Imaging (ComSLI). Ele revela a orientação e organização das fibras teciduais com resolução de mícrons em praticamente qualquer lâmina histológica, independentemente de como foi corada ou preservada, mesmo que a lâmina tenha décadas.
Michael Zeineh, MD, professor de radiologia, e Miriam Menzel, PhD, ex-aluna visitante no laboratório de Zeineh, atuam como co-autores seniores.
“As informações sobre a estrutura organizacional sempre estiveram lá, escondidas à vista de todos”, disse Georgiadis. “O ComSLI apenas nos dá uma maneira de analisar essas informações e mapeá-las.”
Como o ComSLI mapeia a direção da fibra
As estratégias tradicionais de imagem têm limitações significativas. A ressonância magnética pode destacar grandes redes anatômicas, mas não consegue capturar pequenas estruturas celulares. As técnicas histológicas geralmente exigem colorações especializadas, equipamentos de última geração e amostras cuidadosamente preservadas, e o delineamento claro dos cruzamentos de fibras permanece difícil.
O ComSLI baseia-se num princípio físico básico: quando a luz encontra uma microestrutura, ela se espalha em diferentes direções dependendo de sua orientação. Ao girar a fonte de luz e registrar mudanças no sinal espalhado, os pesquisadores podem reconstruir a orientação das fibras dentro de cada pixel da imagem.
O método requer apenas uma luz LED rotativa e uma câmera de microscópio, tornando a configuração fácil de usar em comparação com outras formas de microscopia avançada. Depois de coletar as imagens, o software analisa os padrões delicados na luz espalhada para gerar um mapa codificado por cores de orientação e densidade da fibra, denominado distribuição de orientação de fibra de informação microestrutural.
O ComSLI não está limitado pela preparação da amostra. É adequado para cortes fixados em formalina e embebidos em parafina (o padrão em hospitais e laboratórios de patologia), bem como lâminas recém-congeladas, coradas ou não coradas.
Os cientistas também podem revisitar slides originalmente criados para projetos não relacionados, mesmo aqueles armazenados há décadas, para obter novos insights estruturais sem alterar a amostra.
“Esta é uma ferramenta que qualquer laboratório pode usar”, disse Zeineh. “Você não precisa de preparação especializada ou equipamentos caros. O que mais me entusiasma é que essa abordagem abre a porta para qualquer pessoa, desde pequenos laboratórios de pesquisa até laboratórios de patologia, descobrir novos insights a partir de slides que já possuem.”
Mapeando microestrutura neural e doenças
Um dos principais objetivos da neurociência é mapear as vias microscópicas do cérebro com alta precisão. Georgiadis e colegas usaram o ComSLI para visualizar seções de cérebro humano intactas fixadas em formalina e embebidas em parafina e lâminas de tamanho padrão, revelando a estrutura fibrosa detalhada de todo o tecido.
Eles também estudaram como essas fibras mudam em doenças neurológicas, como esclerose múltipla, leucoencefalopatia e doença de Alzheimer.
Um dos focos é o hipocampo, uma região profunda do cérebro crítica para a formação e recuperação da memória e frequentemente afetada no início da neurodegeneração. Ao comparar fatias de hipocampo de pacientes com doença de Alzheimer com amostras saudáveis, a equipe observou uma deterioração estrutural significativa. Os cruzamentos de fibras que normalmente ajudam a conectar áreas do hipocampo são bastante reduzidos, e a principal via responsável por trazer sinais relacionados à memória para a área (a via perfurante) é quase invisível. Em contraste, o hipocampo saudável apresenta uma rede densa e interligada de fibras em toda a região. Com esses mapas detalhados, os pesquisadores podem ver como os circuitos de memória se rompem à medida que a doença progride.
Para testar as limitações do método, os investigadores analisaram fatias cerebrais preparadas em 1904. Mesmo nesta amostra centenária, o ComSLI identificou padrões complexos de fibras, permitindo aos cientistas estudar espécimes históricos e explorar como as características estruturais evoluem ao longo de gerações de doenças.
Aplicações além do cérebro
Embora o ComSLI tenha sido originalmente projetado para pesquisas sobre o cérebro, ele também funciona bem em outros tecidos. A equipe utilizou-o para estudar amostras de músculos, ossos e vasos sanguíneos, cada uma revelando arranjos únicos de fibras relacionados à sua função biológica.
Nos músculos da língua, esta abordagem enfatiza as orientações das fibras em camadas relacionadas ao movimento e à flexibilidade. Nos ossos, retém fibras de colágeno que respondem ao estresse mecânico. Nas artérias, apresenta camadas alternadas de colágeno e elastina, proporcionando força e elasticidade.
Esta capacidade de mapear a orientação das fibras entre espécies, órgãos e espécimes de arquivo pode mudar significativamente a forma como os cientistas estudam a estrutura e a função. Significa também que milhões de slides armazenados em todo o mundo podem conter informações microestruturais inexploradas.
“Embora tenhamos acabado de introduzir o método, já existem vários pedidos para digitalizar amostras e replicar a configuração do ComSLI – muitos laboratórios e clínicas desejam ter resolução em mícrons de orientação de fibra e microconexões em suas seções histológicas”, disse Georgiadis. “Outra iniciativa interessante é retornar a arquivos cerebrais bem caracterizados ou seções cerebrais de pessoas famosas e recuperar essas informações de microconectividade, revelando ‘segredos’ há muito considerados perdidos. Essa é a beleza do ComSLI.”
