A esquizofrenia, um distúrbio neurológico cerebral crônico, afeta milhões de pessoas em todo o mundo. Isso causa uma fratura entre os pensamentos, sentimentos e comportamento de uma pessoa. Os sintomas incluem delírios, alucinações, dificuldade em processar pensamentos e uma falta geral de motivação. Pacientes com esquizofrenia têm uma taxa de suicídio mais alta e mais problemas de saúde do que a população em geral, e uma expectativa de vida mais baixa.
Não há cura para a esquizofrenia, mas a chave para tratá-la com mais eficácia é entender melhor como ela surge. E isso, de acordo com Ryuta Mizutani, professor de bioquímica aplicada da Universidade Tokai, no Japão, significa estudar a estrutura do tecido cerebral. Especificamente, significa comparar os tecidos cerebrais de pacientes com esquizofrenia com os de pessoas com boa saúde mental, para ver as diferenças o mais claramente possível.
“Existem poucos lugares no mundo onde você pode fazer essa pesquisa. Sem a análise 3D dos tecidos cerebrais, este trabalho não seria possível. ” - Ryuta Mizutani, professor, Tokai University
“O tratamento atual para esquizofrenia é baseado em muitas hipóteses que não sabemos como confirmar”, disse Mizutani. “O primeiro passo é analisar o cérebro e ver como ele é constituído de forma diferente.”
Para fazer isso, Mizutani e seus colegas de várias instituições internacionais coletaram oito pequenas amostras de tecido cerebral - quatro de cérebros saudáveis e quatro de pacientes com esquizofrenia, todas coletadas post-mortem - e as trouxeram para a linha de luz 32-ID do Advanced Photon Fonte (APS), uma facilidade do usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Argonne do DOE.
No APS, a equipe usou poderosos raios-X e ótica de alta resolução para capturar imagens tridimensionais desses tecidos. (Os pesquisadores coletaram imagens semelhantes na instalação de fonte de luz Super Photon Ring 8-GeV [SPring-8] no Japão.) A resolução da óptica de raios-X usada no APS pode ser tão alta quanto 10 nanômetros. Isso é cerca de 700 vezes menor do que a largura de uma célula vermelha média, e há cinco milhões dessas células em uma gota de sangue.
“Existem poucos lugares no mundo onde você pode fazer essa pesquisa”, disse Mizutani. “Sem a análise 3D dos tecidos cerebrais, este trabalho não seria possível.”
Segundo Vincent De Andrade, físico da Divisão de Ciência de Raios-X da Argonne, capturar imagens em alta resolução é um desafio, já que os neurônios visualizados podem ter centímetros de comprimento. O neurônio é a unidade básica de trabalho do cérebro, uma célula do sistema nervoso que transmite informações a outras células para controlar as funções do corpo. O cérebro humano tem cerca de 100 bilhões desses neurônios, em vários tamanhos e formas.
“A amostra precisa se mover através do feixe de raios-X para rastrear os neurônios através da amostra”, explicou De Andrade. “O campo de visão do nosso microscópio de raios-X é de cerca de 50 mícrons, aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano, e você precisa seguir esses neurônios por vários milímetros.”
O que essas imagens mostraram é que as estruturas desses neurônios são exclusivamente diferentes em cada paciente com esquizofrenia, o que Mizutani disse ser uma evidência de que a doença está associada a essas estruturas. As imagens de neurônios saudáveis eram relativamente semelhantes, enquanto os neurônios de pacientes com esquizofrenia mostravam muito mais desvios, tanto dos cérebros saudáveis quanto entre si.
Mais estudos são necessários, disse Mizutani, para descobrir exatamente como as estruturas dos neurônios estão relacionadas ao aparecimento da doença e para desenvolver um tratamento que possa aliviar os efeitos da esquizofrenia. À medida que a tecnologia de raios-X continua a melhorar - o APS, por exemplo, está programado para passar por uma grande atualização que aumentará seu brilho em até 500 vezes - o mesmo acontecerá com as possibilidades para neurocientistas.
“A atualização do APS permitirá uma melhor sensibilidade e resolução para imagens, tornando o processo de mapeamento de neurônios no cérebro mais rápido e preciso”, disse De Andrade. “Precisaríamos de resoluções superiores a 10 nanômetros para capturar conexões sinápticas, que é o Santo Graal para um mapeamento abrangente de neurônios, e isso deve ser alcançado com a atualização”.
De Andrade também observou que, embora a microscopia eletrônica tenha sido usada para mapear o cérebro de pequenos animais - moscas-das-frutas, por exemplo - essa técnica levaria muito tempo para criar imagens do cérebro de um animal maior, como um rato, quanto mais um completo cérebro humano. Raios-X ultrabreves e de alta energia como os do APS, disse ele, podem acelerar o processo, e os avanços na tecnologia ajudarão os cientistas a obter uma imagem mais completa do tecido cerebral.
Para neurocientistas como Mizutani, o objetivo final é menos pessoas sofrendo de doenças cerebrais, como esquizofrenia.
“As diferenças na estrutura do cérebro entre pessoas saudáveis e esquizofrênicas devem estar ligadas a transtornos mentais”, disse ele. “Precisamos encontrar uma maneira de tornar as pessoas saudáveis.”
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Mizutani e sua equipe relataram seus resultados em Psiquiatria translacional.
Sobre a fonte avançada de fótons
A Fonte Avançada de Fótons (APS) do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional de Argonne é uma das instalações de fonte de luz de raios-X mais produtivas do mundo. O APS fornece feixes de raios-X de alto brilho para uma comunidade diversificada de pesquisadores em ciência dos materiais, química, física da matéria condensada, ciências ambientais e da vida e pesquisa aplicada. Esses raios X são ideais para explorações de materiais e estruturas biológicas; distribuição elementar; estados químicos, magnéticos e eletrônicos; e uma ampla gama de sistemas de engenharia tecnologicamente importantes, de baterias a sprays para injetores de combustível, todos os quais são a base do bem-estar econômico, tecnológico e físico de nossa nação. A cada ano, mais de 5,000 pesquisadores usam o APS para produzir mais de 2,000 publicações detalhando descobertas impactantes e resolvendo mais estruturas de proteínas biológicas vitais do que os usuários de qualquer outra instalação de pesquisa de fonte de luz de raios-X. Os cientistas e engenheiros da APS inovam a tecnologia que está no centro do avanço das operações de aceleradores e fontes de luz. Isso inclui dispositivos de inserção que produzem raios-X de brilho extremo valorizados por pesquisadores, lentes que focam os raios-X em alguns nanômetros, instrumentação que maximiza a maneira como os raios-X interagem com as amostras sendo estudadas e software que reúne e gerencia a grande quantidade de dados resultantes da pesquisa de descoberta na APS.
Esta pesquisa usou recursos da Advanced Photon Source, uma facilidade do usuário do Departamento de Ciências dos EUA operada para o Departamento de Ciências do DOE pelo Laboratório Nacional de Argonne sob o Contrato Nº DE-AC02-06CH11357.
Argonne National Laboratory busca soluções para problemas nacionais urgentes em ciência e tecnologia. O primeiro laboratório nacional do país, Argonne conduz pesquisa científica básica e aplicada de ponta em praticamente todas as disciplinas científicas. Os pesquisadores da Argonne trabalham em estreita colaboração com pesquisadores de centenas de empresas, universidades e agências federais, estaduais e municipais para ajudá-los a resolver seus problemas específicos, promover a liderança científica da América e preparar a nação para um futuro melhor. Com funcionários de mais de 60 países, Argonne é gerenciado pela UChicago Argonne, LLC para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
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