A inovação da ressonância magnética revela a atividade energética das células em órgãos e tecidos

Para sobreviver, cada célula do corpo coloca uma enorme energia para manter o equilíbrio certo de água e eletrólitos essenciais. Pesquisadores da Oregon Health & Science University desenvolveram uma maneira de usar imagens de ressonância magnética, ou ressonância magnética, para mapear essa atividade em detalhes no cérebro humano e em outros órgãos.

A inovação – chamada de imagem por difusão da atividade metabólica, ou MADI – está abrindo novas possibilidades para detectar cânceres e revelar se um tumor está respondendo ao tratamento. Nos próximos ensaios clínicos recrutando indivíduos com glioma tumores cerebraisos pesquisadores compararão o MADI com a tomografia por emissão de pósitrons, ou PET, que usa agentes radioativos injetados para criar imagens das taxas de produção de energia celular.

“MADI é uma nova maneira de fazer imagens de atividade metabólica dentro de órgãos e tecidos em alta resolução espacial, e é totalmente não invasivo”, disse o inventor Charles Springer, Ph.D., professor do OHSU Advanced Imaging Research Center. “Em princípio, esse método pode ser aplicado a quase todas as patologias. No momento, estamos empurrando na direção do câncer e da neurociência”.

Em um modelo animal usando ratos, os pesquisadores da OHSU já mostraram que o MADI pode detectar e monitorar tumores cerebrais de forma tão eficaz quanto o PET, mas sem a necessidade de injetar marcadores ou agentes de contraste de qualquer tipo.

“Isso nos diz mais sobre o que está acontecendo dentro das células em relação ao transporte de íons, transporte de águaprodução de energia, e por isso achamos que será definitivamente útil no câncer e em outras doenças”, disse Martin Pike, Ph.D., professor associado do OHSU Advanced Imaging Research Center, que está liderando os estudos de glioma.

O MADI também fornece imagens de resolução mais alta do que o PET. “Ele pode resolver regiões de atividade metabólica dentro do tumor”, disse Springer. “Nenhum dos métodos clínicos atuais usados ​​para mapear a atividade metabólica tem a resolução espacial necessária para medir as variações no metabolismo dentro de tumores maiores.”

Ramon Barajas, MD, professor associado de radiologia diagnóstica na OHSU School of Medicine, que está colaborando nos estudos de glioma, observa que ajudar a descobrir como diferentes partes de um tumor estão funcionando pode ser muito útil para fazer um diagnóstico.

Descoberta de mecanismos moleculares

A ressonância magnética funciona usando um poderoso campo magnético para criar visualizações extremamente detalhadas dos órgãos internos. O campo magnético faz com que os núcleos dos átomos de hidrogênio nas moléculas de água se alinhem com o campo. O scanner de ressonância magnética fornece pulsos de ondas de rádio em uma frequência ressonante. Em resposta, núcleos de hidrogênio magnetizados reemitem ondas de rádio, criando sinais que são captados pelo scanner de ressonância magnética para criar imagens.

O MADI se baseia em uma técnica chamada ressonância magnética ponderada por difusão, que rastreia o movimento das moléculas de água através dos tecidos. Desde a década de 1990, a ressonância magnética ponderada em difusão tem sido amplamente utilizada na medicina, particularmente para imagens cerebrais para detectar lesões por acidente vascular cerebral e monitorar o tratamento. A técnica oferece resultados rápidos e informativos sem a necessidade de injeção de agentes de contraste. Também está se mostrando útil para detectar e estudar tumores e outros processos patológicos.

Mas os cientistas não tinham entendido completamente os mecanismos moleculares que governam como as moléculas de água se movem através dos tecidos e causam as mudanças que se tornam sinais visíveis de derrame e tumores na ressonância magnética de difusão.

Springer e seus colegas perseguiram a ideia de que as membranas celulares desempenham um papel importante ao controlar ativamente o movimento das moléculas de água para dentro e para fora das células. Sua pesquisa mostrou que a probabilidade de moléculas de água atravessarem as membranas celulares é amplamente ditada por enzimas críticas chamadas bombas de sódio-potássio. Eles atravessam as membranas celulares e bombeiam o sódio para fora e o potássio para dentro, um processo que também alimenta o transporte de moléculas de água.

“Conseguimos perceber, aprendendo que a troca de água está relacionada à atividade da bomba, que poderíamos fazer imagens de ressonância magnética que mapeiam a atividade das bombas de sódio e potássio”, disse Springer.

Especialistas independentes chamaram isso de “hipótese mecanicista convincente” em um editorial publicado junto com dois artigos em RMN em Biomedicina.

Medindo a energia da célula pela primeira vez

Os pesquisadores usaram modelagem matemática e simulações de computador para gerar informações sobre o movimento de moléculas de água calcular e mapear a atividade da bomba sódio-potássio. Essa atividade é tão crucial para as células vivas que serve como uma medida da taxa de uso de energia.

“É como um lâmpada elétricasempre queimando, informando quanta energia a célula está produzindo a partir da quebra do açúcar, glicose e outros nutrientes”, disse Springer. Nunca foi possível medir essa atividade nos seres vivos, até agora.

O câncer altera drasticamente o uso de energia nas células, e isso é claramente visível nos estudos MADI usando um modelo animal de tumores cerebrais glioma. “Nos animais, conseguimos detectar o câncer, monitorar o câncer e monitorar o tratamento, bem como o PET”, disse Pike. “Esperamos poder demonstrar isso também em humanos.”

Barajas, o neurorradiologista, alertou que ainda há muita ciência a ser feita. “Nós realmente temos que validar isso e garantir que o que estamos fazendo seja biologicamente correto”.

Ele disse que um método de varredura mais detalhado e preciso beneficiaria muito os pacientes com tumores cerebrais. “Se erramos e interrompemos uma terapia que está realmente funcionando, nós os enviamos para a sala de cirurgia para uma cirurgia que não é necessariamente necessária”, disse ele. “Quando erramos e o tumor está crescendo e dizemos que não, evitamos que o paciente receba uma nova terapia mais cedo.”

Imagens mais rápidas, menos dispendiosas e mais acessíveis

O ensaio clínico planejado visa recrutar cerca de 12 adultos com tumores cerebrais glioma. Seus cérebros serão escaneados usando o scanner híbrido PET/MRI na OHSU – o primeiro no noroeste do Pacífico quando foi instalado em 2021. O scanner híbrido permitirá comparar diretamente o desempenho do PET versus a técnica MADI em seres humanos.

Se o MADI for eficaz, poderá trazer vários benefícios para os pacientes. O procedimento não é invasivo e consome menos tempo do que o PET, levando minutos em vez de horas. É provável que seja mais barato e mais amplamente disponível do que o PET.

E o MADI pode ser feito usando equipamento de ressonância magnética convencional.

“A imagem PET é o padrão de atendimento, mas o acesso dos pacientes é bastante limitado às áreas urbanas”, disse Barajas. “A capacidade de fazer MADI como outra sequência de ressonância magnética padrão, eu acho que realmente abriria o acesso a esta imagem para muito mais pacientes que não vivem em centros urbanos”.