Pesquisadores da Universidade Rice desenvolveram a primeira atlas molecular abrangente e sem rótulos do cérebro de pacientes com Alzheimer em um modelo animal. Este trabalho proporciona uma visão aprofundada de como a doença se inicia e se espalha. O Alzheimer causa mais mortes a cada ano do que o câncer de mama e o câncer de próstata juntos, ressaltando a urgência de compreender o que o provoca.
Utilizando um método avançado de imagem baseado em luz combinado com aprendizado de máquina, a equipe analisou tecidos cerebrais de animais saudáveis e afetados pelo Alzheimer. Os resultados, publicados na ACS Applied Materials and Interfaces, revelam que as alterações químicas associadas ao Alzheimer não estão restritas a placas de amiloide. Em vez disso, essas mudanças aparecem por todo o cérebro de maneira desigual e complexa.
Imagens a Laser Revelam a Química Cerebral em Detalhe
Para detectar essas sutis variações, os cientistas recorreram à imagem hiperespectral de Raman. Essa sofisticada forma de espectroscopia Raman utiliza um laser para detectar as impressões digitais químicas exclusivas das moléculas dentro dos tecidos.
“A espectroscopia Raman tradicional realiza uma medição de informações químicas por local molecular”, afirmou Ziyang Wang, estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação da Rice e primeiro autor do estudo. “A imagem hiperespectral de Raman repete essa medição milhares de vezes em toda a fatia do tecido para construir um mapa completo. O resultado é uma imagem detalhada mostrando como a composição química varia entre diferentes regiões do cérebro.”
Os pesquisadores escanearam cérebros inteiros fatia por fatia, compilando milhares de medições sobrepostas para construir mapas moleculares de alta resolução tanto de tecidos saudáveis quanto daqueles afetados pela doença. Como a imagem foi realizada sem rótulos, as amostras não foram tratadas com corantes, proteínas fluorescentes ou etiquetas moleculares.
“Isso significa que observamos o cérebro como ele é, capturando um retrato completo e não alterado de sua composição química,” disse Wang. “Acredito que isso torna a abordagem mais imparcial e mais adequada para descobrir novas mudanças relacionadas à doença que poderiam passar despercebidas.”
Aprendizado de Máquina Mapeia Danos Irregulares do Alzheimer
O processo de imagem gerou enormes quantidades de dados, que a equipe analisou utilizando aprendizado de máquina (ML). Inicialmente, aplicaram ML não supervisionado, permitindo que algoritmos detectassem padrões naturais nos sinais químicos sem pressupostos prévios. Esses modelos classificaram o tecido com base exclusivamente em suas características moleculares. Em seguida, utilizaram ML supervisionado, treinando modelos para distinguir entre amostras com e sem Alzheimer. Essa etapa ajudou a determinar a intensidade com que diferentes regiões cerebrais refletiram a química relacionada ao Alzheimer.
“Descobrimos que as mudanças causadas pela doença de Alzheimer não estão distribuídas uniformemente pelo cérebro,” afirmou Wang. “Algumas regiões exibem mudanças químicas significativas, enquanto outras são menos afetadas. Esse padrão desigual ajuda a explicar por que os sintomas surgem gradualmente e por que tratamentos que se concentram apenas em um problema tiveram sucesso limitado.”
Disrupção Metabólica nas Regiões da Memória
Além do acúmulo de proteínas, o estudo identificou diferenças metabólicas mais amplas entre os cérebros saudáveis e os de Alzheimer. Os níveis de colesterol e glicogênio variaram entre as regiões, com os contrastes mais dramáticos aparecendo nas áreas responsáveis pela memória, particularmente no hipocampo e no córtex.
“O colesterol é importante para manter a estrutura das células cerebrais, e o glicogênio serve como uma reserva de energia local,” disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e de ciência dos materiais e nanoengenharia, e autor correspondente do estudo. “Juntas, essas descobertas apoiam a ideia de que o Alzheimer envolve disrupções mais amplas na estrutura e no equilíbrio energético do cérebro, não apenas o acúmulo e a dobragem errônea de proteínas,” acrescentou Huang, que também é membro do Instituto Ken Kennedy, do Instituto Avançado de Materiais da Rice e do Instituto Smalley-Curl.
Uma Visão Mais Ampla da Progressão do Alzheimer
O projeto surgiu de discussões contínuas sobre novas maneiras de estudar o cérebro de pacientes com Alzheimer.
“A princípio, estávamos medindo apenas pequenas áreas de tecido cerebral,” disse Wang. “Então pensei, e se pudéssemos mapear todo o cérebro e obter uma visão muito mais ampla? Foram necessárias várias rodadas de testes e tentativas até que as medições e a análise funcionassem bem juntas.”
Quando o mapa químico completo finalmente se juntou, o impacto foi imediato.
“Padrões emergiram que não eram visíveis com técnicas de imagem comuns,” disse Wang. “Ver esses resultados foi profundamente satisfatório. Foi como revelar uma camada oculta de informações que estava lá o tempo todo, aguardando a forma certa de ser analisada.”
Ao fornecer os primeiros mapas químicos detalhados e sem corantes do cérebro afetado pelo Alzheimer, esta pesquisa oferece uma visão mais abrangente da doença. A equipe espera que as descobertas eventualmente apoiem diagnósticos mais precoces e estratégias mais eficazes para retardar a progressão.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2246564, 1934977), pelos National Institutes of Health (1R01AG077016) e pela Welch Foundation (C2144).
