Simulações Cerebrais de Alta Resolução Revelam Como Sementes Infecciosas se Espalham em Doenças Neurodegenerativas

• Novo modelo examina como sementes infecciosas se difundem pela estrutura irregular do cérebro.
• Pesquisadores usaram ressonâncias magnéticas de um cérebro adulto para criar simulações de alta resolução em 2D e 3D.
• Essas simulações recriam o padrão de danos observado em numerosos distúrbios neurodegenerativos.

Doenças neurodegenerativas associadas à idade são patologias multifacetadas e complexas. Na maioria dos casos, seu crescimento está intimamente relacionado à progressão de certos agregados proteicos conhecidos como príons.

Príons são sementes infecciosas que desencadeiam uma reação em cadeia de agregação e dobra incorreta de proteínas, produzindo autocatalise conformacional. Gradualmente, essas sementes se expandem, fragmentam e se espalham para outras regiões do cérebro. Isso afeta o funcionamento normal do sistema nervoso e causa atrofia cerebral, necrose e, por fim, a morte. É exatamente o que acontece na doença de Parkinson, Alzheimer e ELA.

Agora, pesquisadores do Stevens Institute of Technology, Universidade de Stanford e Universidade de Oxford desenvolveram um novo modelo que examina como essas sementes infecciosas se difundem pela estrutura irregular do cérebro. Ele demonstra que a distribuição de moléculas tóxicas em todas as doenças depende da localização onde essas moléculas apareceram pela primeira vez.

As simulações indicam que o dano cerebral ocorre principalmente devido à remoção pelo corpo de células cerebrais prejudicadas pelo impacto físico. Os autores acreditam que sua ferramenta ajudará cientistas a bloquear a progressão de graves distúrbios cerebrais.

O Modelo Ignora a Bioquímica

Em muitas doenças neurodegenerativas, as moléculas tóxicas iniciais permanecem obscuras, mas elas se copiam para se dobrar incorretamente de uma maneira específica. A doença progride à medida que as proteínas malformadas se estendem pelo cérebro e se agregam em aglomerados e fibras.

Este novo modelo ignora mecanismos bioquímicos e celulares e simplesmente representa os processos fundamentais de propagação e aumento do número de proteínas nocivas.

Em vez de viajar pelo fluido fora das células, as moléculas tóxicas no cérebro se movem através de neurônios (rede de células nervosas). Cada célula nervosa consiste em um núcleo e um axônio que transfere sinais elétricos para outras células nervosas. Os axônios representam a maior parte da matéria branca do cérebro, enquanto seus corpos celulares contêm a maior parte da matéria cinzenta.

Referência: APS Physics | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | Universidade de Oxford

Neste modelo, as moléculas tóxicas se difundem ao longo dos axônios a uma taxa particular e viajam pela matéria branca. Elas também se difundem em regiões extracelulares, mas em uma taxa muito mais lenta. Na matéria cinzenta, essas moléculas se difundem isotrópica e a uma taxa média. Uma vez que se difundem em uma nova área, criam cópias de si mesmas a uma taxa particular que depende do número de proteínas tóxicas presentes nessas áreas.

Simulando Proteínas Tóxicas Dentro do Cérebro

Dados clínicos (topo) vs. simulação (base) | setas mostram a propagação de proteínas tóxicas no Alzheimer | Crédito: A. Goriely / Universidade de Oxford

Para criar simulações de alta resolução em 2D e 3D, os autores usaram ressonâncias magnéticas de um cérebro adulto. As simulações computacionais 2D foram realizadas em fatias verticais (lado a lado ou frente a trás), e as simulações 3D cobriram o cérebro completo.

Então, mapearam os dados clínicos da progressão da doença de Parkinson e Alzheimer. Segundo esses dados, as proteínas tóxicas começam em uma localização específica e se espalham em um padrão específico. Os autores alimentaram essas condições iniciais em suas simulações e descobriram que as simulações recriaram com precisão o padrão associado a cada distúrbio.

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O modelo pode ajudar cientistas a aprender mais sobre a bioquímica levando em conta seus aspectos físicos. As simulações mostram claramente que a difusão desempenha um papel importante na progressão de distúrbios neurodegenerativos. Poderia dar novas direções para futuras pesquisas interdisciplinares.