Simulações de computador para doenças neurodegenerativas

• O novo modelo examina como as sementes infecciosas se propagam pela estrutura irregular do cérebro.
• Os pesquisadores usaram imagens de ressonância magnética de um cérebro adulto para criar simulações de alta resolução em 2D e 3D.
• Essas simulações recriam o padrão de dano observado em vários distúrbios neurodegenerativos.

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

Os príons são sementes infecciosas que desencadeiam uma reação em cadeia de agregação de proteínas e dobramento incorreto, produzindo autocatálise conformacional. Gradualmente, essas sementes se expandem, se 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. Isso é exatamente o que acontece na doença de Parkinson e Alzheimer e na ELA.

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

As simulações indicam que os danos cerebrais acontecem principalmente devido à remoção do corpo de células cerebrais prejudicadas pelo impacto físico. Os autores acreditam que a ferramenta ajudará os cientistas a bloquear a progressão de distúrbios cerebrais graves.

O modelo ignora a bioquímica

Em muitas doenças neurodegenerativas, as moléculas tóxicas iniciais permanecem obscuras, mas elas se copiam para 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 os mecanismos bioquímicos e celulares e simplesmente representa os processos fundamentais de propagação e o número crescente de proteínas prejudiciais.

Em vez de viajar pelo fluido fora das células, as moléculas tóxicas do cérebro se movem pelos 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 são responsáveis ​​pela 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 | Oxford University

Neste modelo, as moléculas tóxicas se difundem ao longo dos axônios a uma taxa específica e viajam pela substância branca. Eles também se difundem nas regiões extracelulares, mas em uma taxa muito mais lenta. Na substância cinzenta, essas moléculas se difundem isotropicamente a uma taxa média. Assim que se difundem em uma nova área, eles criam cópias de si mesmos a uma taxa específica que depende do número de proteínas tóxicas presentes nessas áreas.

Simulação de proteínas tóxicas no cérebro

Dados clínicos (parte superior) vs. simulação (parte inferior) | setas mostram a propagação de proteínas tóxicas na doença de Alzheimer | Crédito:A. Goriely / Oxford University

Para criar simulações de alta resolução em 2D e 3D, os autores usaram imagens de ressonância magnética de um cérebro adulto. As simulações de computador 2D foram realizadas em fatias verticais (de lado a lado ou de frente para trás), e as simulações 3D cobriram todo o cérebro.

Em seguida, eles mapearam os dados clínicos da progressão da doença de Parkinson e Alzheimer. De acordo com esses dados, as proteínas tóxicas partem de um determinado local e se espalham em um padrão específico. O autor alimentou suas simulações com essas condições iniciais e eles descobriram que as simulações recriaram com precisão o padrão associado a cada desordem.

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O modelo pode ajudar os cientistas a aprender mais sobre a bioquímica levando em consideração seus aspectos físicos. As simulações mostram claramente que a difusão desempenha um papel importante na progressão dos distúrbios neurodegenerativos. Isso poderia dar novos rumos para futuras pesquisas interdisciplinares.