Pesquisadores da Rice University produziram o primeiro atlas molecular abrangente do cérebro do Alzheimer em um modelo animal sem rótulo. O trabalho oferece uma visão mais aprofundada de como a doença começa e se espalha. A doença de Alzheimer ceifa mais vidas todos os anos do que o cancro da mama e da próstata juntos, sublinhando a necessidade de compreender o que impulsiona a doença.
Usando uma técnica avançada de imagem baseada em luz combinada com aprendizado de máquina, a equipe examinou tecido cerebral de animais saudáveis e com Alzheimer. Seus resultados, publicados em Materiais e Interfaces Aplicados ACSmostram que as alterações químicas associadas à doença de Alzheimer não se limitam às placas amilóides. Em vez disso, estas alterações aparecem em todo o cérebro em padrões desiguais e complexos.
Imagens a laser mostram a química do cérebro em detalhes
Para detectar essas mudanças sutis, os cientistas recorreram à imagem Raman hiperespectral. Esta forma sofisticada de espectroscopia Raman usa um laser para detectar impressões digitais químicas únicas de moléculas em tecidos.
“A espectroscopia de espalhamento combinada tradicional produz uma medição de informação química por sítio molecular”, disse Ziyang Wang, estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação na Rice, que é o primeiro autor do estudo. “A imagem Raman hiperespectral repete essa medição milhares de vezes em todo o corte do tecido para construir um mapa completo. O resultado é uma imagem detalhada que mostra como a composição química difere em diferentes regiões do cérebro.”
Os pesquisadores escanearam todo o cérebro, fatia por fatia, coletando milhares de medidas sobrepostas para construir mapas moleculares de alta resolução de tecidos saudáveis e doentes. Como a imagem não continha rótulos, as amostras não foram tratadas com corantes, proteínas fluorescentes ou marcadores moleculares.
“Isso significa que estamos observando o cérebro como ele é, capturando um retrato completo e imutável de sua composição química”, disse Wang. “Penso que isto torna a abordagem mais objectiva e mais adequada para detectar novas alterações relacionadas com doenças que, de outra forma, poderiam passar despercebidas”.
Aprendizado de máquina mostra danos desiguais na doença de Alzheimer
O processo de visualização gerou enormes quantidades de dados, que a equipe analisou por meio de aprendizado de máquina (ML). Pela primeira vez, eles aplicaram ML não supervisionado, permitindo que algoritmos detectassem padrões naturais em sinais químicos sem fazer quaisquer suposições prévias. Esses modelos classificaram os tecidos inteiramente com base em suas características moleculares. Os pesquisadores usaram então modelos de aprendizagem supervisionada para distinguir entre amostras com e sem doença de Alzheimer. Esta etapa ajudou a determinar quão fortemente as diferentes regiões do cérebro refletem a química associada à doença de Alzheimer.
“Descobrimos que as alterações causadas pela doença de Alzheimer não estão distribuídas uniformemente por todo o cérebro”, disse Wang. “Algumas regiões apresentam fortes alterações químicas, enquanto outras são menos afetadas. Este padrão irregular ajuda a explicar por que os sintomas aparecem gradualmente e por que os tratamentos direcionados a apenas um problema tiveram sucesso limitado.”
Distúrbios metabólicos em regiões de memória
Além do acúmulo de proteínas, o estudo encontrou diferenças metabólicas mais amplas entre cérebros saudáveis e cérebros com doença de Alzheimer. Os níveis de colesterol e glicogênio diferiram entre as regiões, com os contrastes mais dramáticos observados nas áreas responsáveis pela memória, particularmente no hipocampo e no córtex cerebral.
“O colesterol é importante para manter a estrutura das células cerebrais, e o glicogênio serve como reserva de energia local”, disse Shenxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação, 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, e não apenas na acumulação e no desdobramento de proteínas”, acrescentou Huang, que também é membro do Instituto Ken Kennedy, do Instituto Rice para Materiais Avançados e do Instituto Smalley-Kurle.
Uma visão mais ampla do desenvolvimento da doença de Alzheimer
O projeto surgiu de discussões contínuas sobre novas formas de estudar o cérebro da pessoa com Alzheimer.
“No início, medimos apenas pequenas áreas de tecido cerebral”, disse Wang. “Então pensei: e se pudéssemos obter imagens de todo o cérebro e obter uma visão muito mais ampla? Foram necessárias várias rodadas de testes e tentativas e erros antes que as medições e análises funcionassem bem juntas.”
Quando um mapa químico completo foi finalmente desenvolvido, o efeito foi imediato.
“Surgiram padrões que não eram visíveis nas imagens normais”, disse Wang. “Ver esses resultados foi profundamente satisfatório. Parecia que eu tinha descoberto uma camada oculta de informações que estava lá o tempo todo, esperando pela maneira certa de analisá-las.”
Ao entregar os primeiros mapas químicos detalhados sem corantes do cérebro de Alzheimer, este estudo fornece uma visão mais abrangente da doença. A equipe espera que as descobertas eventualmente apoiem um diagnóstico mais precoce e estratégias mais eficazes para retardar a progressão.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2246564, 1934977), pelos Institutos Nacionais de Saúde (1R01AG077016) e pela Fundação Welch (C2144).
