Usando ressonância magnética, engenheiros descobriram uma maneira de detectar luz nas profundezas do cérebro

A nova técnica poderia permitir estudos detalhados de como as células cerebrais se desenvolvem e se comunicam entre si.

Os cientistas frequentemente rotulam as células com proteínas que brilham, permitindo-lhes acompanhar o crescimento de um tumor ou medir mudanças na expressão genética que ocorrem à medida que as células se diferenciam.

Embora esta técnica funcione bem em células e alguns tecidos do corpo, tem sido difícil aplicá-la a estruturas de imagem nas profundezas do cérebro, porque a luz se espalha muito antes de poder ser detectada.

Os engenheiros do MIT criaram agora uma nova forma de detectar este tipo de luz, conhecida como bioluminescência, no cérebro: conceberam vasos sanguíneos do cérebro para expressarem uma proteína que os faz dilatar na presença de luz. Essa dilatação pode então ser observada com ressonância magnética (MRI), permitindo aos pesquisadores identificar a fonte de luz.

“Um problema bem conhecido que enfrentamos na neurociência, assim como em outros campos, é que é muito difícil usar ferramentas ópticas em tecidos profundos. Um dos objetivos principais do nosso estudo foi encontrar uma maneira de obter imagens de moléculas bioluminescentes em tecidos profundos com resolução razoavelmente alta”, diz Alan Jasanoff, especialista em engenharia biológica, ciências cerebrais e cognitivas do MIT e ciência e engenharia nuclear.

A nova técnica desenvolvida por Jasanoff e seus colegas poderá permitir aos pesquisadores explorar o funcionamento interno do cérebro com mais detalhes do que era possível anteriormente.

Jasanoff, que também é pesquisador associado do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT, é o autor sênior do estudo, que aparece hoje em Engenharia Biomédica da Natureza. Os ex-pós-doutorandos do MIT Robert Ohlendorf e Nan Li são os principais autores do artigo.

Detectando luz

As proteínas bioluminescentes são encontradas em muitos organismos, incluindo águas-vivas e vaga-lumes. Os cientistas usam essas proteínas para rotular proteínas ou células específicas, cujo brilho pode ser detectado por um luminômetro. Uma das proteínas frequentemente utilizadas para esse fim é a luciferase, que vem em uma variedade de formas que brilham em cores diferentes.

O laboratório de Jasanoff, especializado no desenvolvimento de novas formas de obter imagens do cérebro usando ressonância magnética, queria encontrar uma maneira de detectar a luciferase nas profundezas do cérebro. Para conseguir isso, eles criaram um método para transformar os vasos sanguíneos do cérebro em detectores de luz. Uma forma popular de ressonância magnética funciona por meio de imagens de alterações no fluxo sanguíneo no cérebro, de modo que os pesquisadores projetaram os próprios vasos sanguíneos para responder à luz por meio da dilatação.

“Os vasos sanguíneos são uma fonte dominante de contraste de imagem na ressonância magnética funcional e outras técnicas de imagem não invasivas, por isso pensamos que poderíamos converter a capacidade intrínseca dessas técnicas de criar imagens de vasos sanguíneos em um meio de obter imagens de luz, através da fotossensibilização dos próprios vasos sanguíneos. “, diz Jasanoff.

Para tornar os vasos sanguíneos sensíveis à luz, o pesquisador os projetou para expressar uma proteína bacteriana chamada Beggiatoa adenilato ciclase fotoativada (bPAC). Quando exposta à luz, esta enzima produz uma molécula chamada AMPc, que provoca a dilatação dos vasos sanguíneos. Quando os vasos sanguíneos se dilatam, altera o equilíbrio da hemoglobina oxigenada e desoxigenada, que possuem propriedades magnéticas diferentes. Esta mudança nas propriedades magnéticas pode ser detectada por ressonância magnética.

O BPAC responde especificamente à luz azul, que tem um comprimento de onda curto, por isso detecta a luz gerada a curta distância. Os pesquisadores usaram um vetor viral para entregar o gene do bPAC especificamente às células musculares lisas que constituem os vasos sanguíneos. Quando este vetor foi injetado em ratos, os vasos sanguíneos de uma grande área do cérebro tornaram-se sensíveis à luz.

“Os vasos sanguíneos formam uma rede no cérebro que é extremamente densa. Cada célula do cérebro está a algumas dezenas de mícrons de um vaso sanguíneo”, diz Jasanoff. “A maneira como gosto de descrever nossa abordagem é que essencialmente transformamos a vasculatura do cérebro em uma câmera tridimensional”.

Depois que os vasos sanguíneos foram sensibilizados à luz, os pesquisadores implantaram células que foram projetadas para expressar luciferase se um substrato chamado CZT estiver presente. Nos ratos, os investigadores conseguiram detectar a luciferase através de imagens do cérebro com ressonância magnética, que revelou vasos sanguíneos dilatados.

Rastreando mudanças no cérebro

Os investigadores testaram então se a sua técnica poderia detectar a luz produzida pelas próprias células do cérebro, caso estas fossem concebidas para expressar a luciferase. Eles entregaram o gene para um tipo de luciferase chamada GLuc às células de uma região profunda do cérebro conhecida como estriado. Quando o substrato CZT foi injetado nos animais, a ressonância magnética revelou os locais onde a luz foi emitida.

Essa técnica, que os pesquisadores apelidaram de imagem de bioluminescência usando hemodinâmica, ou BLUsH, poderia ser usada de diversas maneiras para ajudar os cientistas a aprender mais sobre o cérebro, diz Jasanoff.

Por um lado, poderia ser usado para mapear alterações na expressão genética, ligando a expressão da luciferase a um gene específico. Isto poderia ajudar os investigadores a observar como a expressão genética muda durante o desenvolvimento embrionário e a diferenciação celular, ou quando novas memórias se formam. A luciferase também poderia ser usada para mapear conexões anatômicas entre células ou para revelar como as células se comunicam entre si.

Os investigadores planeiam agora explorar algumas dessas aplicações, bem como adaptar a técnica para utilização em ratos e outros modelos animais.