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A tecnologia de ‘caixa torácica de cristal’ é pioneira em novas abordagens para a saúde pulmonar

Pesquisa pulmonar redefinida: a tecnologia da “caixa torácica de cristal” é pioneira em novas abordagens

A caixa torácica de cristal pode ser utilizada para estudar quase todas as doenças pulmonares que afetam os alvéolos (sacos de ar), como câncer, metástase, pneumonia, fibrose e enfisema. Crédito: Dr.

Não é nenhum segredo que os nossos pulmões desempenham um papel vital na nossa vida diária – garantindo que podemos respirar, evitar infecções e adaptar-nos a vários desafios. Apesar da sua importância, os órgãos ainda confundem muitos especialistas médicos, especialmente quando são afetados por doenças. Embora ferramentas tradicionais como ressonância magnética e tomografia computadorizada sejam úteis quando um paciente está passando por uma doença pulmonar, elas ainda podem ser insuficientes no fornecimento de informações detalhadas e em tempo real necessárias para compreender as complexidades da saúde pulmonar.

Conheça a inovação revolucionária conhecida como caixa torácica de cristal. Desenvolvida por pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade de Boston, do Centro Pulmonar, do Centro de Mecanobiologia Multiescala e Translacional e do Centro Neuroftônico, a tecnologia está preparada para revolucionar não apenas nossa compreensão da função pulmonar, mas também possui um imenso potencial para outros órgãos e tratamentos.

Em uma nova pesquisa, publicada este mês em Métodos da Natureza, a caixa torácica de cristal atua como um escudo protetor transparente para os pulmões de um camundongo, permitindo aos cientistas ter uma visão mais próxima de como esses órgãos funcionam em tempo real e em nível celular. O que torna esta tecnologia especial é que ela não perturba os processos naturais do pulmão – a respiração e a circulação sanguínea continuam normalmente enquanto os pesquisadores observam.

Nestas perguntas e respostas, o autor sênior, Dr. Hadi Nia, discute a caixa torácica de cristal, como ela está remodelando nossa compreensão da pesquisa pulmonar e seus usos potenciais além dos pulmões.

Qual é o principal desafio destacado na pesquisa quando se trata de compreender a saúde pulmonar?

O pulmão é o local de muitas patologias fatais, tais como cancros primários e metastáticos, infecções respiratórias e doenças obstrutivas e restritivas que afectam as suas funções a nível celular. Com as modalidades de imagem existentes, como ressonância magnética, tomografia computadorizada e análises histológicas, eventos dinâmicos de células únicas nos estágios iniciais da progressão da doença, como as interações de células imunológicas com células cancerígenas e bactérias, não podem ser resolvidos.

Com a caixa torácica de cristal, podemos pela primeira vez visualizar o pulmão do rato até os níveis celulares, enquanto ele mantém suas funções fisiológicas, como respiração, circulação sanguínea e atividade imunológica. Agora somos capazes de estudar muitas doenças pulmonares nas primeiras etapas do início da doença.

Como a caixa torácica de cristal difere dos métodos tradicionais, como ressonância magnética e tomografia computadorizada, no estudo dos pulmões?

A ressonância magnética e a tomografia computadorizada permitem a visualização de todo o pulmão, mas sua resolução espacial e temporal é baixa, e sacos aéreos únicos (conhecidos como alvéolos), capilares únicos e eventos celulares, como migração de células imunológicas e cancerígenas, não podem ser resolvidos. A caixa torácica de cristal, por outro lado, permite o uso da microscopia óptica, substituindo a própria caixa torácica feita de osso e músculo e, portanto, bloqueando a luz, por uma costela transparente feita de materiais biocompatíveis.






Imagens em tempo real do transporte vascular com resolução alveolar na saúde e na doença usando caixa torácica de cristal. Crédito: Métodos da Natureza (2023). DOI: 10.1038/s41592-023-02004-9

Como a caixa torácica de cristal tem a mesma geometria e propriedades materiais da costela real, o pulmão pode manter suas funções fisiológicas como se fosse visualizado por um microscópio óptico. Se combinado com um microscópio rápido o suficiente, os eventos dinâmicos, como o tráfego celular e o fluxo sanguíneo, podem ser visualizados em tempo real quando o pulmão está em ação. Essa tecnologia basicamente abre a caixa preta do pulmão na saúde e na doença e fornece visualizações em tempo real do pulmão nunca antes vistas.

Você pode descrever como funciona a caixa torácica de cristal para permitir a observação atenta do pulmão de um camundongo?

O design da caixa torácica de cristal é informado a partir do microCT da caixa torácica nativa do camundongo para garantir que o pulmão possa funcionar fisiologicamente dentro da caixa torácica de cristal. O pulmão dentro da caixa torácica de cristal é ventilado por pressão positiva para simular a ventilação mecânica ou por pressão negativa para simular a respiração espontânea. O pulmão também circula com mídia ou sangue para fornecer nutrientes às células pulmonares. A caixa torácica de cristal é então colocada na platina do microscópio e o pulmão é fotografado na resolução de interesse.

Além dos recursos de imagem que a caixa torácica de cristal oferece, somos capazes de intervir de várias maneiras na respiração ou na circulação, como adicionar medicamentos ou alterar os parâmetros fisiológicos pulmonares (por exemplo, simulando exercício aumentando a frequência e a profundidade da respiração), e estudar as mudanças subsequentes na estrutura-função pulmonar. Essa controlabilidade, quando combinada com recursos de imagem, torna a caixa torácica de cristal uma tecnologia transformadora para estudar muitas doenças pulmonares importantes.

Além da pesquisa pulmonar, que outros órgãos poderiam se beneficiar da aplicação da tecnologia da caixa torácica de cristal?

Usamos a caixa torácica de cristal para obter imagens do coração em conjunto com o pulmão em pressões vasculares elevadas. Tais experimentos permitirão futuras investigações sobre o acoplamento circulação-respiração em doenças como hipertensão pulmonar ou arritmia. Com o sucesso e o entusiasmo que geramos, as direções futuras do Nia Lab incluem a tradução de ideias semelhantes para o cérebro, através da fabricação de uma “caveira de cristal” para visualizar todo o cérebro em ação.

Como a tecnologia da caixa torácica de cristal pode avançar nos estudos relacionados a transplantes de órgãos e medicina regenerativa?

A caixa torácica de cristal avança esses estudos de duas maneiras:

  1. Fornecendo um ambiente fisiológico para o transplante ou tecido projetado onde a amostra pode ser visualizada na resolução celular em tempo real.
  2. Permitir intervenção através da alteração dos parâmetros fisiológicos, administração de agentes terapêuticos e monitoramento da posterior alteração no pulmão.





Microscopia de lobo inteiro a alvéolos únicos do pulmão sob ventilação com pressão negativa na caixa torácica de cristal. Crédito: Métodos da Natureza (2023). DOI: 10.1038/s41592-023-02004-9

Por exemplo, há pesquisas ativas sobre por quanto tempo podemos manter o pulmão humano viável entre as cirurgias do doador-receptor. Este tempo, atualmente de 6 a 8 horas, se prolongado, pode ser extremamente valioso, pois permite armazenar e transportar o órgão para outros locais de transplante. Nossa caixa torácica de cristal permite monitorar o pulmão ex vivo na resolução óptica e, portanto, permite que os pesquisadores entendam melhor por que o pulmão humano não pode ser mantido fora do corpo por mais de 6 a 8 horas.

Como outro exemplo, existe uma linha ativa de pesquisa em engenharia de tecidos pulmonares. Apesar do progresso na engenharia do pulmão, não existe uma forma confiável de avaliar a função do pulmão. A caixa torácica de cristal permite essa avaliação no nível celular, ao mesmo tempo que permite a função pulmonar projetada em um ambiente fisiológico.

Como a caixa torácica de cristal contribui para uma melhor compreensão das doenças pulmonares, do desenvolvimento e do envelhecimento?

A caixa torácica de cristal permite imagens tridimensionais (3D) de toda a superfície do pulmão, ao mesmo tempo que combina de forma única os benefícios de modelos de camundongos in vivo (diversidade celular, arquitetura pulmonar 3D, respiração e circulação) e modelos de órgão em chip in vitro (vantagens de imagem e controle amplo e preciso sobre a microfisiologia). Basicamente, podemos ver como a progressão da doença e o envelhecimento afetam a função da estrutura pulmonar na resolução de uma única célula e em tempo real.

Como exemplos, utilizamos a caixa torácica de cristal para sondar a remodelação das funções alveolares e capilares em modelos de camundongos com câncer de pulmão primário e metastático, infecção bacteriana, fibrose pulmonar, enfisema e lesão pulmonar aguda. Identificamos o estágio inicial da tumorigênese quando as funções da estrutura alveolar estão comprometidas, investigamos as funções circulatórias dinâmicas dos capilares remodelados pelo crescimento do tumor e pela pneumonia e demonstramos uma resposta mecânica dramática e reversível na migração de células imunes no pulmão.

Como outro exemplo, é sabido que o envelhecimento é um importante fator de risco para pneumonia. No entanto, não sabemos exatamente por quê. Em colaboração com Joseph Mizgerd, do Diretório do Centro Pulmonar, estamos agora utilizando a caixa torácica de cristal para entender melhor como o envelhecimento pode afetar a progressão ou resolução da pneumonia.

Isto é tudo menos a ponta do iceberg e estamos entusiasmados em colaborar com a comunidade de investigação para aprofundar o nosso conhecimento colectivo sobre a progressão da doença, os efeitos terapêuticos e o envelhecimento do pulmão à medida que funciona.

Quem são seus principais colaboradores de pesquisa?

Nossos colaboradores de pesquisa abrangem os campi de Charles River e Medical e fazem parte do BU Pulmonary Center, do BU Center for Multiscale and Translational Mechanobiology e do BU Neurophtonics Center. Os principais investigadores que apoiaram nossa pesquisa são Dr. Bela Suki, Dr. Joseph Mizgerd, Dra.

Mais Informações:
Rohin Banerji et al, Crystal ribcage: uma plataforma para sondar a função pulmonar em tempo real na resolução celular, Métodos da Natureza (2023). DOI: 10.1038/s41592-023-02004-9

Fornecido pela Universidade de Boston

Citação: Perguntas e respostas: a tecnologia ‘Crystal Ribcage’ é pioneira em novas abordagens para a saúde pulmonar (2023, 26 de setembro) recuperada em 26 de setembro de 2023 em https://medicalxpress.com/news/2023-09-qa-crystal-ribcage-technology-approaches.html

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