Imagistica optică evidențiază modificări simultane ale metabolismului și oxigenului în boala Alzheimer
Boala Alzheimer este cunoscută în primul rând pentru efectele asupra memoriei și cogniției, dar implică și schimbări în modul în care celulele creierului produc și consumă energie. Mitocondriile, structurile care furnizează o mare parte din energia celulară, pot deveni disfuncționale, iar modificările fluxului sanguin și ale disponibilității oxigenului pot solicita suplimentar țesutul cerebral. Un studiu publicat în revista Neurophotonics a urmărit aceste procese împreună, în creierul viu.
Cercetătorii din grupul condus de Ammasi Periasamy la Universitatea din Virginia au combinat două forme de microscopie de durată de viață cu doi fotoni pentru a măsura metabolismul celular și nivelurile de oxigen în cortexul cerebral al șoarecilor, comparând animale model pentru boala Alzheimer cu șoareci sănătoși, de tip sălbatic.
Abordarea răspunde unei dificultăți importante în studiul metabolismului cerebral: aportul de oxigen și producția de energie celulară sunt strâns legate, dar măsurarea unuia nu arată neapărat ce se întâmplă cu celălalt. Colectând ambele tipuri de informații simultan, cercetătorii au putut examina relația dintre activitatea metabolică și disponibilitatea oxigenului în același țesut viu.
Pentru a urmări metabolismul celular, echipa a folosit microscopia de durată de viață a fluorescenței cu doi fotoni (FLIM). Această tehnică nu măsoară simplu intensitatea fluorescenței, ci cât timp rămân moleculele fluorescente într-o stare excitată înainte de a emite lumină. Cercetătorii s-au concentrat asupra NAD(P)H, o moleculă prezentă în mod natural în celule, implicată în producția de energie. NAD(P)H poate exista liber sau legat de proteine, iar aceste stări au durate de viață fluorescentă diferite. Studiul a folosit proporția de NAD(P)H legat de proteine ca indicator al activității metabolice mitocondriale.
A doua tehnică, microscopia de durată de viață a fosforescenței (PLIM), a furnizat informații despre oxigen. Cercetătorii au folosit o sondă pe bază de ruteniu sensibilă la oxigen, a cărei durată de viață a fosforescenței se modifică în funcție de concentrația de oxigen, permițând estimarea presiunii parțiale de oxigen (pO₂) în rețeaua vasculară cerebrală. Combinarea FLIM și PLIM a oferit astfel măsurători simultane ale metabolismului celular și ale oxigenării vasculare.
Periasamy, profesor și director al Centrului W.M. Keck pentru Imagistica Celulară de la UVA, explică faptul că măsurarea simultană FLIM-PLIM necesită sincronizare precisă între microscopul cu doi fotoni Zeiss și electronica de imagistică de durată de viață Becker & Hickl. Aceasta permite captarea metabolismului și a tensiunii oxigenului în același moment, la animale vii. Calibrarea atentă, împreună cu condiții fiziologice stabile precum temperatura corporală și anestezia, transformă semnalele de durată de viață în măsurători fiabile ale oxigenului.
Măsurătorile au relevat diferențe clare între cele două grupuri, în timp ce animalele anestezate erau în repaus. Cortexul șoarecilor model pentru boala Alzheimer a prezentat o fracție mai mare de NAD(P)H legat de proteine decât la animalele de tip sălbatic, indicând o activitate metabolică mitocondrială modificată. Totodată, presiunea parțială a oxigenului în rețeaua vasculară corticală a fost mai scăzută la modelul Alzheimer. Cercetătorii interpretează acest nivel vascular mai scăzut de oxigen ca dovadă a unui consum mai mare de oxigen în modelul de boală Alzheimer.
Andrés Norambuena, cercetător principal la UVA și coautor al studiului, afirmă că, luate împreună, rezultatele sugerează că schimbările în metabolismul energetic celular și în consumul de oxigen pot fi detectate simultan în creierul viu al șoarecelui model pentru Alzheimer. Această legătură contează deoarece disfuncția mitocondrială și oxigenarea cerebrală afectată au fost ambele implicate în boala Alzheimer, dar sunt adesea investigate separat.
Lucrarea demonstrează și valoarea examinării fiziologiei cerebrale prin mai multe măsurători simultane. Tehnica FLIM-PLIM cu doi fotoni poate furniza informații metabolice și despre oxigen în țesutul viu cu o perturbare relativ redusă, permițând cercetătorilor să examineze relații mai greu de clarificat din măsurători izolate.
Rezultatele provin dintr-un model de șoarece, astfel încât nu stabilesc că aceleași modele metabolice și de oxigenare apar la persoanele cu boala Alzheimer. Studiul oferă însă un cadru imagistic pentru investigarea modului în care disponibilitatea oxigenului și metabolismul mitocondrial se modifică împreună pe măsură ce boala neurologică se dezvoltă.
