Novo método para detectar o consumo de oxigênio no cérebro

O cérebro humano consome uma quantidade imensa de energia e precisa de um suprimento ininterrupto de oxigênio para manter sua atividade. Portanto, o cérebro é equipado com uma rede de delicados vasos sanguíneos que transportam moléculas de oxigênio para as células cerebrais. Taxa metabólica cerebral de consumo de oxigênio (CMRO₂), que indica quanta energia o cérebro está consumindo em um determinado momento, é um índice chave da atividade cerebral.

Quantificação direta de CMRO₂ é um objetivo significativo em neurologia, como CMRO₂ é uma medida valiosa da patologia do tecido em condições de estado estacionário, como aquelas associadas a câncer, dano cerebral traumático e acidente vascular cerebral. Além disso, sua medição dinâmica durante a atividade neuronal pode revelar os processos metabólicos subjacentes às respostas funcionais do cérebro. Embora alguns métodos atuais permitam a quantificação de CMRO₂geralmente eles não fornecem informações sobre o tempo relativo de eventos metabólicos e respostas vasculares.

Para obter uma imagem mais clara do CMRO₂ durante atividade cerebral, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia desenvolveram uma nova técnica óptica. Conforme relatado no jornal Neurofotônicaesta técnica utiliza um par de sondas macromoleculares fosforescente com aplicação comprovada para o monitoramento em tempo real de CMRO₂ simultaneamente com fluxo sanguíneo cerebral (CBF) em um modelo animal pré-clínico.

“Abordagens mais atuais para rastreamento dinâmico de CMRO₂ são baseados em medições de saturação de oxigênio da hemoglobina e CBF, de modo que CMRO₂ dinâmica torna-se inerentemente ligada à dinâmica da CBF. Queríamos desenvolver um método livre dessa limitação”, explica o Prof. Sergei A. Vinogradov, investigador principal do estudo.

A técnica sonda diretamente o gradiente de oxigênio do cérebro. O gradiente de oxigênio depende da diferença entre as concentrações de oxigênio dentro dos vasos sanguíneos do cérebro (intravascular) e nas imediações das células cerebrais (extravascular). Quando as células cerebrais se tornam metabolicamente mais ativas, elas consomem mais oxigênio, tornando esse gradiente mais acentuado. Assim, esse gradiente carrega informações sobre quanto oxigênio está sendo consumido e pode ser usado para determinar o CMRO₂.

O passo principal foi encontrar uma maneira de medir simultaneamente a diferença entre os níveis de oxigênio extravascular e intravascular. Para isso, os pesquisadores injetaram uma sonda fosforescente, chamada Oxyphor PtR4, no sangue, e outra sonda, Oxyphor PtG4, foi administrada diretamente no espaço entre os vasos sanguíneos.

Os dois Oxyphors têm cores diferentes e, usando dois lasers diferentes, a equipe pode medir os sinais das sondas simultaneamente com resolução temporal de aproximadamente 7 Hz. A técnica foi aplicada a um modelo pré-clínico e eles demonstraram computação e rastreamento em tempo real de CMRO₂ durante a ativação funcional do cérebro. Usando um terceiro laser, os pesquisadores também conseguiram medir o CBF em paralelo com o CMRO₂ usando o método chamado imagem de contraste de speckle a laser.

O editor associado, Prof. Andy Shih, investigador principal do Centro de Biologia do Desenvolvimento e Medicina Regenerativa do Seattle Children’s Research Institute, disse: “Este desenvolvimento inteligente e o uso de pares de sondas nos compartimentos intra e extravasculares abrem as portas para medições do consumo de oxigênio cerebral .”

O professor Arjun Yodh, o outro autor correspondente do estudo, explicou: “Nosso esquema oferece uma oportunidade de observar diretamente as mudanças no metabolismo cerebral em tempo real e comparar simultaneamente as respostas vasculares com as respostas do metabolismo. À medida que a tecnologia se desenvolve, prevemos que o método ficará mais amplamente disponível para testar drogas e outros efetores do metabolismo cerebral, e deve permitir um exame mais rigoroso dos modelos de metabolismo”.

De fato, o estudo é o primeiro a demonstrar a capacidade de monitorar o fluxo sanguíneo local e o tecido oxigênio gradientes em tempo real enquanto o cérebro está funcionalmente ativo. Ele abre novas possibilidades para a medição dinâmica de cérebro metabolismo, revelando detalhes adicionais sobre os processos fisiológicos que acompanham a atividade neuronal.

Fornecido por SPIE–International Society for Optics and Photonics