Tumores, inflamação e distúrbios circulatórios afetam localmente o equilíbrio ácido-básico do corpo. Essas mudanças no valor do pH podem ser usadas, por exemplo, para verificar o sucesso dos tratamentos contra o câncer. Até agora, Contudo, não existe nenhum método de imagem para tornar essas alterações visíveis nos pacientes. Agora, uma equipe da Universidade Técnica de Munique (TUM) desenvolveu um sensor de pH que torna os valores de pH visíveis por meio de imagens de ressonância magnética (MRI) - de forma não invasiva, forma livre de radiação.

Quatro anos atrás, durante um experimento de ressonância magnética com células tumorais, O físico da TUM, Dr. Franz Schilling, encontrou sinais de uma molécula que era altamente sensível às mudanças de pH. A molécula, que foi identificado como ácido zimônico em investigações subsequentes, pode desempenhar um papel importante no futuro da imagem médica. Como um biossensor para valores de pH, poderia fornecer percepções sobre o corpo que eram impossíveis no passado.

"Um método de imagem de pH apropriado tornaria possível visualizar alterações anormais no tecido e, especificamente, processos metabólicos de tumores, ", explica Franz Schilling. As áreas em torno de tumores e inflamações são geralmente um pouco mais ácidas do que as áreas em torno de tecido saudável, fenômeno possivelmente ligado à agressividade dos tumores. Schilling vê outros usos potenciais em prognósticos de tratamento:"Os valores de pH também são interessantes quando se trata de avaliar a eficácia dos tratamentos de tumor. Mesmo antes de um tumor tratado com sucesso começar a encolher, seu metabolismo e, portanto, o valor do pH da área circundante podem mudar. Um método de imagem de pH apropriado indicaria em um estágio muito anterior se a abordagem certa foi selecionada ou não. "

Schilling é agora Diretor do grupo de trabalho de Imagem Pré-clínica e Física Médica na Clínica e Policlínica de Medicina Nuclear no TUM Klinikum rechts der Isar. Nos últimos anos, ele se juntou a colegas dos departamentos de Física, Química e Medicina para pesquisar o ácido zimônico como biossensor. No jornal Nature Communications a equipe descreve como ele pode ser usado para representar de forma confiável os valores de pH nos corpos de pequenos animais.

Imagem de ressonância magnética com restrições de tempo

Para tornar os valores de pH visíveis usando ácido zimônico, a molécula é injetada no corpo e, em seguida, uma investigação de ressonância magnética (MRI) é feita do tecido do objeto. Em termos bastante simplificados:Em um campo magnético forte, ondas de rádio estimulam os spins nucleares do ácido zimônico à oscilação. As reações dos núcleos são então registradas. Esses dados são usados ​​para calcular espectros de frequência que, por sua vez, fornecem informações sobre as propriedades químicas dos arredores moleculares dos núcleos. Em última análise, o valor de pH em qualquer local examinado no tecido pode ser representado com base nas alterações moleculares dependentes do pH no ácido zimônico.

O ácido zimônico deve ser marcado com carbono 13 para ser visível nas imagens de ressonância magnética. Isso significa que as moléculas contêm átomos de carbono 13 (13C) em vez de átomos de carbono 12 "normais". Mas o ácido zimônico marcado dessa maneira ainda não é mensurável:seu sinal de ressonância magnética é muito fraco. "Portanto, usamos um método relativamente novo, hiperpolarização, "explica Stephan Düwel, físico e primeiro autor do estudo. "Usamos um dispositivo especial para transferir a polarização dos elétrons para os núcleos atômicos 13C usando microondas em temperaturas muito baixas, que resulta em um sinal de ressonância magnética de até 100, 000 vezes mais forte. "Um líquido quente é então usado para retornar rapidamente o ácido zimônico à temperatura ambiente.

Depois disto, os cientistas precisam agir rapidamente. O biossensor é injetado por via intravenosa no organismo, então, o exame de ressonância magnética deve ser feito imediatamente:leva apenas 60 segundos para que o efeito de amplificação do sinal da hiperpolarização desapareça novamente. "No momento, estamos trabalhando para expandir essa janela de tempo, "diz Düwel." Por um lado, estamos tentando melhorar as propriedades de ressonância magnética do ácido zimônico com modificações apropriadas na molécula; Por outro lado, estamos procurando outras moléculas sensíveis ao pH, "explica o bioquímico Christian Hundshammer, segundo autor do estudo.

Vantagens em comparação com outras abordagens

Franz Schilling e sua equipe conseguiram mostrar que seu método é sensível o suficiente para representar mudanças de valor de pH clinicamente relevantes no organismo. Usando o ácido zimônico, é possível investigar especificamente o valor do pH fora da membrana celular:Com outros biossensores, muitas vezes não é claro se as mudanças medidas ocorrem dentro ou fora da célula (intracelular ou extracelular). Isso é importante porque o valor intracelular é geralmente estável, enquanto as mudanças no metabolismo têm um impacto muito maior no valor extracelular.

Em contraste com os métodos ópticos, que são limitados à penetração superficial no corpo por causa da baixa transparência do tecido, não há limitações para a profundidade de penetração para ressonância magnética. Além disso, foi demonstrado que o ácido zimônico não é tóxico nas concentrações usadas em pequenos animais e também é criado em baixas concentrações como um subproduto do metabólito ácido pirúvico que está presente no corpo.

"Acreditamos que o ácido zimônico é um biossensor altamente promissor para aplicações em pacientes, "diz Franz Schilling. Por enquanto, Contudo, estudos pré-clínicos adicionais estão planejados para verificar as vantagens deste novo biomarcador de imagem em comparação aos métodos convencionais e para melhorar ainda mais a resolução espacial de imagens de pH.