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Os cientistas criaram uma das imagens 3D mais detalhadas da sinapse, a importante junção onde os neurônios se comunicam por meio de uma troca de sinais químicos. Esses modelos em escala nanométrica ajudarão os cientistas a entender e estudar melhor as doenças neurodegenerativas, como a doença de Huntington e a esquizofrenia.
O novo estudo aparece na revista PNAS e foi escrito por uma equipe liderada por Steve Goldman, MD, PhD, co-diretor do Centro de Neuromedicina Translacional da Universidade de Rochester e da Universidade de Copenhague. As descobertas representam uma conquista técnica significativa que permite aos pesquisadores estudar as diferentes células que convergem em sinapses individuais em um nível de detalhe não alcançável anteriormente.
“Uma coisa é entender a estrutura da sinapse a partir da literatura, mas outra é ver a geometria precisa das interações entre as células individuais com seus próprios olhos”, disse Abdellatif Benraiss, PhD, professor associado de pesquisa no Centro de Neuromedicina Translacional e co-autor do estudo. “A capacidade de medir esses ambientes extremamente pequenos é um campo jovem e tem potencial para avançar nossa compreensão de uma série de doenças neurodegenerativas e neuropsiquiátricas nas quais a função sináptica é perturbada”.
Os pesquisadores usaram a nova técnica para comparar os cérebros de camundongos saudáveis com os de camundongos portadores do gene mutante que causa a doença de Huntington. Pesquisas anteriores no laboratório de Goldman mostraram que os astrócitos disfuncionais desempenham um papel fundamental na doença. Os astrócitos são membros de uma família de células de suporte no cérebro chamadas glia e ajudam a manter o ambiente químico adequado na sinapse.
Os pesquisadores se concentraram em sinapses que envolvem neurônios motores espinhosos médios, a perda progressiva dessas células é uma característica da doença de Huntington. Os pesquisadores primeiro tiveram que identificar sinapses escondidas no emaranhado de três células diferentes que convergem no local: o axônio pré-sináptico de um neurônio distante; seu alvo, o neurônio motor espinhoso médio pós-sináptico; e os processos de fibra de um astrócito vizinho.
Para fazer isso, os pesquisadores empregaram vírus para atribuir marcas fluorescentes separadas aos axônios, neurônios motores e astrócitos. Eles então removeram os cérebros, visualizaram as áreas de interesse por microscopia multifotônica e usaram uma técnica chamada marcação infravermelha que emprega lasers para criar pontos de referência no tecido cerebral, o que permitiu aos pesquisadores realocar posteriormente as células de interesse.
A equipe então examinou o tecido cerebral usando um microscópio eletrônico de varredura localizado na Universidade de Copenhague, uma ferramenta de pesquisa criada para estudar as menores estruturas do cérebro. O dispositivo usa uma faca de diamante para remover e visualizar em série fatias ultrafinas de tecido cerebral, criando modelos 3D em escala nanométrica das células marcadas e suas interações na sinapse.
“Os modelos revelam a geometria e as relações estruturais entre os astrócitos e suas sinapses parceiras, o que é importante porque essas células devem interagir de maneira específica na sinapse”, disse Carlos Benitez Villanueva, PhD, associado sênior do Center for Translational Neuromedicine e primeiro autor do estudo. “Esta abordagem nos dá a capacidade de medir e descrever a geometria do ambiente sináptico e fazê-lo em função da doença glial”.
Nos cérebros de camundongos saudáveis, a equipe observou que os processos astrocíticos se envolviam e envolviam completamente o espaço ao redor da sinapse em forma de disco, criando uma ligação forte. Em contraste, os astrócitos nos camundongos de Huntington não foram tão eficazes em investir ou sequestrar a sinapse, deixando grandes lacunas. Essa falha estrutural permite que o potássio e o glutamato – substâncias químicas que regulam a comunicação entre as células – vazem da sinapse, potencialmente interrompendo a comunicação normal célula-célula.
A disfunção dos astrócitos foi associada a outras condições, incluindo esquizofrenia, esclerose lateral amiotrófica e demências frontotemporais. Os pesquisadores acreditam que esta técnica pode melhorar muito nossa compreensão da base estrutural precisa dessas doenças. Em particular, eles apontam que essa técnica pode ser usada para avaliar a eficácia de estratégias de substituição celular, que substituem células gliais doentes por saudáveis, no tratamento dessas doenças.
Co-autores adicionais incluem Hans Stephensen e Jon Sporring, da Universidade de Copenhague, e Rajmund Mokso, da Universidade de Lund, na Suécia. O estudo foi apoiado com financiamento da Fundação Novo Nordisk e da Fundação Lundbeck.
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