Os pesquisadores desenvolveram uma técnica de imagem em escala molecular rápida e prática que poderia permitir aos cientistas visualizar dinâmicas nunca antes vistas de processos biológicos envolvidos em doenças neurodegenerativas, como doença de Alzheimer e esclerose múltipla.

A nova técnica revela a composição química de uma amostra, bem como a orientação das moléculas que compõem essa amostra, informações que podem ser usadas para entender como as moléculas estão se comportando. O que mais, ele adquire essa informação em meros segundos, significativamente mais rápido do que os minutos exigidos por outras técnicas. A velocidade mais rápida significa que será possível, pela primeira vez, observar a progressão da doença em modelos animais vivos em nível molecular. Com mais desenvolvimento, a técnica também pode ser usada para detectar sinais precoces de doenças neurodegenerativas em pessoas.

No Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, pesquisadores liderados por Sophie Brasselet do Institut Fresnel, CNRS, Aix Marseille Université, França, relatar sua nova técnica, chamada de imagem de espalhamento Raman coerente resolvida com polarização de alta velocidade. Eles usaram membranas lipídicas artificiais para demonstrar as capacidades da técnica para aprimorar a pesquisa neurológica.

As membranas artificiais usadas no estudo são feitas de camadas compactadas de lipídios semelhantes às encontradas na bainha de mielina que cobre os axônios para ajudar os impulsos elétricos a se moverem com rapidez e eficiência. Quando doenças como Alzheimer e esclerose múltipla progridem, esses lipídios começam a se desorganizar e as camadas lipídicas perdem sua adesão. Em última análise, isso faz com que a bainha de mielina se desprenda do axônio e leva a sinais neurais com mau funcionamento.

"Projetamos uma técnica capaz de criar imagens da organização molecular em células e tecidos que podem, em última análise, nos permitir ver o estágio inicial desse descolamento e como os lipídios são organizados dentro dessa bainha de mielina, "disse Brasselet." Isso pode nos ajudar a entender a progressão das doenças, identificando o estágio em que os lipídios começam a se desorganizar, por exemplo, e quais mudanças moleculares estão ocorrendo durante este tempo. Isso pode permitir novos tratamentos com drogas direcionadas que funcionam de forma diferente dos usados ​​agora. "

Assistindo moléculas em tempo real

A nova técnica desenvolvida por Brasselet e sua equipe de pesquisa faz uso de um efeito não linear chamado espalhamento Raman coerente, que ocorre quando a luz interage com as moléculas. A frequência, ou comprimento de onda, do sinal não linear fornece a composição química de uma amostra com base em suas vibrações moleculares, sem a necessidade de adicionar quaisquer etiquetas fluorescentes ou produtos químicos adicionais.

Os pesquisadores desenvolveram uma abordagem existente chamada de imagem de espalhamento Raman estimulada, que aumenta o sinal Raman modulando a intensidade da luz do laser, ou poder. Para obter informações de orientação molecular do sinal Raman coerente, os pesquisadores usaram um dispositivo eletro-óptico chamado célula de Pockels para modular rapidamente a polarização do laser em vez de sua intensidade.

"Pegamos o conceito de modulação de intensidade usado para espalhamento Raman estimulado e o transpomos para modulação de polarização usando um dispositivo pronto para uso, "disse Brasselet." A detecção de sinal para nossa técnica é muito semelhante ao que é feito com o espalhamento Raman estimulado, exceto que, em vez de detectar apenas a intensidade da luz, detectamos informações de polarização que nos dizem se as moléculas são altamente orientadas ou totalmente desorganizadas. "

A chave, Contudo, é adquirir informações de orientação rápido o suficiente para capturar processos biológicos altamente dinâmicos em um nível molecular. Os métodos anteriores eram lentos porque adquiriam uma imagem, então a informação de polarização, e, em seguida, repetiu o processo para capturar as alterações ao longo do tempo. Ao modular a polarização do laser muito rápido, os pesquisadores podiam fazer medições pixel por pixel, em tempo real.

Com a nova abordagem, leva menos de um segundo para adquirir informações de orientação de lipídios em uma imagem grande que contém várias células. Essa informação é então usada para construir uma sequência de imagens de "ordem lipídica" que mostra a dinâmica da orientação molecular em escalas de tempo de subsegundos.

Medindo membranas simples

Os pesquisadores mostraram que sua técnica pode revelar deformação e organização lipídica em membranas lipídicas artificiais semelhantes às membranas compactadas de mielina. A técnica era ainda sensível o suficiente para medir a organização dos lipídios em torno dos glóbulos vermelhos, que têm apenas uma única membrana lipídica.

"Apesar de termos demonstrado a técnica apenas com membranas modelo e células individuais, esta técnica é traduzível em tecido biológico, "disse Brasselet." Vai nos mostrar como as moléculas se comportam, informações que não estão disponíveis nas imagens morfológicas em escala de mícron obtidas com técnicas de microscopia tradicionais. "

Brasselet disse que a nova técnica pode ser usada em um futuro próximo para entender melhor a progressão de doenças que envolvem o colapso da bainha de mielina, como Alzheimer e esclerose múltipla. Por exemplo, ele poderia ser usado para obter imagens de neurônios em ratos vivos, combinando a técnica de espalhamento Raman com métodos existentes nos quais minúsculas janelas são implantadas no cérebro e na medula espinhal de animais de laboratório.

"Em última análise, gostaríamos de desenvolver imagens Raman coerentes para que pudessem ser usadas no corpo para detectar doenças em seus estágios iniciais, "disse Brasselet." Para fazer isso, a técnica teria que ser adaptada para funcionar com endoscópios ou outras ferramentas em desenvolvimento que permitem imagens baseadas em luz dentro do corpo. "