Pesquisadores da Rice University criaram o primeiro atlas molecular abrangente e sem rótulos do cérebro de Alzheimer em um modelo animal. O trabalho fornece uma visão 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 o cancro da próstata juntos, enfatizando a urgência de compreender o que a motiva.
Usando um método avançado de imagem baseado em luz combinado com aprendizado de máquina, a equipe examinou tecido cerebral de animais saudáveis e com Alzheimer. Seus resultados, publicados Materiais e Interfaces Aplicados ACSrevela 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 revelam 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 a impressão digital química única das moléculas dentro do tecido.
“A espectroscopia Raman tradicional mede a informação química por sítio molecular”, disse Jiang Wang, estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação na Rice e primeiro autor do estudo. “A imagem hiperespectral Raman repete essa medição milhares de vezes em uma fatia inteira de tecido para criar um mapa completo. O resultado é uma imagem detalhada que mostra como a composição química muda em diferentes regiões do cérebro.”
Os pesquisadores escanearam fatias inteiras do cérebro, compilando milhares de medidas sobrepostas para criar 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 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 gerou uma grande quantidade de dados, que a equipe analisou por meio de aprendizado de máquina (ML). Eles primeiro aplicaram ML não supervisionado, permitindo que algoritmos detectassem padrões naturais em sinais químicos sem suposições prévias. Esses modelos selecionam o tecido com base inteiramente em suas características moleculares. Os pesquisadores então usaram ML supervisionado, modelos de treinamento, para distinguir entre amostras com Alzheimer e sem Alzheimer. A mudança ajudou a determinar como diferentes regiões do cérebro refletem a química relacionada ao Alzheimer.
“Descobrimos que as alterações causadas pela doença de Alzheimer não se espalham uniformemente por todo o cérebro”, disse Wang. “Algumas regiões apresentam fortes alterações químicas, enquanto outras são menos afetadas. Este padrão desigual ajuda a explicar por que os sintomas aparecem lentamente e por que os tratamentos que se concentram em apenas um problema tiveram sucesso limitado”.
Distúrbios metabólicos na região da memória
Além da produção de proteínas, o estudo identificou amplas diferenças metabólicas entre cérebros saudáveis e com Alzheimer. Os níveis de colesterol e glicogênio variam entre as regiões, com os contrastes mais dramáticos observados 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 reserva de energia local”, disse Shengzhi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e ciência de materiais e nanoengenharia e autor correspondente do estudo. “Juntos, estes resultados apoiam a ideia de que a doença de Alzheimer envolve uma perturbação mais ampla da estrutura cerebral e do equilíbrio energético, e não apenas a formação e o mau enrolamento de proteínas”, acrescentou Huang, que é membro do Instituto Ken Kennedy, do Instituto de Materiais Avançados do Rice e do Instituto Smalley-Carl.
Uma visão abrangente da progressão do Alzheimer
O projeto surgiu de discussões contínuas sobre novas formas de estudar o cérebro da pessoa com Alzheimer.
“No início, medimos apenas pequenas porções de tecido cerebral”, disse Wang. “Então pensei: e se pudéssemos mapear todo o cérebro e obter uma visão mais abrangente? Foram necessárias algumas rodadas de testes e tentativas e erros antes que a medição e a análise funcionassem bem juntas.”
Quando o mapa químico completo foi finalmente montado, o impacto foi imediato.
“Surgiram padrões que não eram visíveis em imagens regulares”, disse Wang. “Ver esses resultados foi profundamente satisfatório. Foi como revelar uma camada oculta de informação que sempre esteve lá, esperando para ser analisada da maneira certa.”
Ao fornecer o primeiro mapa químico detalhado e sem corantes do cérebro da doença de Alzheimer, o estudo fornece uma visão mais abrangente da doença. A equipe espera que as descobertas 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).
