Ferramentas de imagem como raios-X e ressonância magnética revolucionaram a medicina, proporcionando aos médicos uma visão de perto do cérebro e de outros órgãos vitais da vida, pessoas respirando. Agora, Pesquisadores da Universidade de Columbia relatam uma nova maneira de aumentar o zoom em escalas menores para rastrear mudanças em células individuais.

Descrito na última edição de Nature Communications , a ferramenta combina um traçador químico amplamente utilizado, D2O, ou água pesada, com um método de imagem a laser relativamente novo chamado espalhamento Raman estimulado (SRS). As aplicações potenciais da técnica incluem ajudar os cirurgiões a remover tumores com rapidez e precisão, para ajudar a detectar lesões na cabeça e distúrbios de desenvolvimento e metabólicos.

"Podemos usar essa tecnologia para visualizar as atividades metabólicas em uma ampla gama de animais, "disse o autor sênior do estudo, Wei Min, professor de química na Columbia University. "Rastreando onde e quando novas proteínas, lipídios e moléculas de DNA são feitos, podemos aprender mais sobre como os animais se desenvolvem e envelhecem, e o que dá errado no caso de ferimentos e doenças. "

A descoberta envolve o uso de água pesada como marcador químico. Feito pela troca dos átomos de hidrogênio da água por seus parentes mais pesados, deutério, a água pesada tem o mesmo aspecto e gosto de água normal e em pequenas doses (não mais do que cinco colheres de sopa para humanos) é segura para beber. Uma vez metabolizado pelas células do corpo, a água pesada é incorporada às proteínas recém-feitas, lipídios e DNA, onde o deutério forma ligações químicas com o carbono.

Quando essas ligações carbono-deutério são atingidas pela luz, eles vibram em frequências variadas, os pesquisadores descobriram, permitindo que cada macromolécula seja identificada como uma proteína, lipídio ou DNA. A partir dessas assinaturas de frequência, eles poderiam acompanhar o crescimento de novas proteínas, lipídios e DNA no cérebro do animal, pele, intestino e outros órgãos.

Embora a água pesada já seja usada para rotular proteínas e lipídios para rastrear mudanças metabólicas, a análise é feita atualmente em um espectrômetro de massa, em células extraídas do corpo. Este método agora torna possível visualizar mudanças subcelulares em tempo e espaço real. "Temos uma imagem contínua do que está acontecendo dentro das células animais vivas. Anteriormente, tínhamos apenas um instantâneo, "disse o co-autor do estudo, Lingyan Shi, um pesquisador de pós-doutorado na Columbia.

No estudo, os pesquisadores diluíram água regular com D2O e deram a lombrigas, ratos e embriões de peixe-zebra para beber. Visando o laser SRS em uma variedade de tecidos, eles observaram por horas e dias como novas proteínas marcadas com deutério, lipídios e DNA acumulados.

Em um experimento, eles observaram uma linha brilhante emergir em torno de tumores cerebrais e de cólon de crescimento rápido nos camundongos. À medida que as células cancerosas se dividiam, mais deutério foi incorporado em suas proteínas e lipídios recém-fabricados. "Este método cria uma linha nítida entre o tecido saudável e o canceroso, tornando muito mais fácil remover o tumor, "disse Shi.

Os experimentos também ofereceram novos insights sobre o desenvolvimento e envelhecimento celular.

* Na lombriga, eles observaram a produção de gordura aumentar e diminuir no sistema reprodutivo do verme à medida que envelhecia. A gordura ajuda os ovos do verme a amadurecer, e uma vez que essa gordura adicionada não era mais útil, a formação de gordura diminuiu, eles encontraram. Eles também viram aglomerados de uma nova forma de proteína no corpo do verme mais velho, sugerindo que a imagem SRS marcada com deutério pode ser usada para rastrear depósitos de proteínas, e, portanto, doenças relacionadas ao envelhecimento.

* No cérebro em desenvolvimento de camundongos bebês, eles observaram a formação de uma camada de gordura isolante, chamada de bainha de mielina, em torno de cada célula. Assistir ao processo em tempo real sugeriu aos pesquisadores que a imagem SRS marcada com deutério poderia ser usada para dizer se o cérebro de uma criança está se desenvolvendo adequadamente, ou se pacientes que sofrem de esclerose múltipla, uma doença que ataca a mielina do cérebro e interrompe o fluxo de informações, pode estar se recuperando.

* Nas células das glândulas sudoríparas de camundongos, eles observaram como novos lipídios se formaram nas células nas bordas externas das glândulas sudoríparas, empurrando células mais velhas para dentro. Quando essas células velhas finalmente alcançaram o centro das glândulas, eles morreram e foram expulsos em um processo que se pensava hidratar a pele e os cabelos acima.

"A beleza desse método de mapeamento é sua simplicidade, "diz Eric Potma, um professor de química da Universidade da Califórnia em Irvine que não estava envolvido no estudo. "Ele produz imagens vívidas da atividade metabólica nos tecidos com esforço aparentemente mínimo. À medida que o microscópio SRS continua a ficar menor, A imagem SRS marcada com deutério pode ajudar a detectar tumores em estágios muito anteriores. "

Partindo do pressuposto de que o elemento hidrogênio veio em uma forma mais pesada, Harold Urey, em seguida, um professor de química em Columbia, conseguiu separar o deutério do hidrogênio líquido em 1931. A descoberta lhe valeu o Prêmio Nobel de química três anos depois. Além de servir como traçador em espectroscopia de massa, deutério hoje é usado para rastrear mudanças na circulação do oceano, estudar a formação das estrelas, e modular reações químicas na fabricação de energia nuclear.