Cientistas colaboraram para criar o primeiro “fantasma cerebral” impresso em 3D do mundo, utilizando uma técnica especial de ressonância magnética (dMRI) para modelar fibras cerebrais. Este avanço visa melhorar a pesquisa em doenças neurodegenerativas, como Alzheimer, Parkinson e esclerose múltipla, aumentando a precisão do software de análise dMRI através do uso desses modelos cerebrais detalhados.
O novo modelo tem potencial para acelerar a investigação em doenças neurodegenerativas.
Em um projeto conjunto entre a MedUni Vienna e a TU Wien, foi desenvolvido o primeiro “fantasma cerebral” impresso em 3D do mundo, que é modelado na estrutura das fibras cerebrais e pode ser visualizado usando uma variante especial de ressonância magnética (dMRI).
Como uma equipe científica liderada pela MedUni Vienna e pela TU Wien demonstrou agora em um estudo, esses modelos cerebrais podem ser usados para avançar na pesquisa de doenças neurodegenerativas, como Alzheimer, Parkinson e esclerose múltipla. O trabalho de pesquisa foi publicado na revista Tecnologias Avançadas de Materiais.
A ressonância magnética (MRI) é uma técnica de diagnóstico por imagem amplamente utilizada, usada principalmente para examinar o cérebro. A ressonância magnética pode ser usada para examinar a estrutura e função do cérebro sem o uso de radiação ionizante. Em uma variante especial da ressonância magnética, a ressonância magnética ponderada em difusão (dMRI), a direção das fibras nervosas no cérebro também pode ser determinada. No entanto, é muito difícil determinar corretamente a direção das fibras nervosas nos pontos de cruzamento dos feixes de fibras nervosas, pois ali se sobrepõem fibras nervosas com direções diferentes.
A fim de melhorar ainda mais o processo e os métodos de análise e avaliação de testes, uma equipe internacional em colaboração com a Universidade Médica de Viena e a TU Wien desenvolveu um chamado “fantasma cerebral”, que foi produzido usando um processo de impressão 3D de alta resolução.
Pequeno cubo com microcanais
Pesquisadores da Universidade Médica de Viena, como especialistas em ressonância magnética, e da TU Wien, como especialistas em impressão 3D, trabalharam em estreita colaboração com colegas da Universidade de Zurique e do Centro Médico Universitário Hamburg-Eppendorf. Em 2017, doisfóton A impressora de polimerização foi desenvolvida na TU Wien que permite impressão ampliada.
No decorrer disso, também foram realizados trabalhos sobre fantasmas cerebrais como um caso de uso, em conjunto com a Universidade Médica de Viena e a Universidade de Zurique. A patente resultante constitui a base para o fantasma cerebral que agora foi desenvolvido e está sendo supervisionado pela equipe de Pesquisa e Apoio à Transferência da TU Wien.
Visualmente, esse fantasma não tem muito a ver com um cérebro real. É muito menor e tem o formato de um cubo. Dentro dele existem microcanais extremamente finos e cheios de água, do tamanho de nervos cranianos individuais. Os diâmetros desses canais são cinco vezes mais finos que um fio de cabelo humano. A fim de imitar a fina rede de células nervosas no cérebro, a equipe de pesquisa liderada pelos primeiros autores Michael Woletz (Centro de Física Médica e Engenharia Biomédica, MedUni Viena) e Franziska Chalupa-Gantner (grupo de pesquisa de Impressão 3D e Biofabricação, TU Wien ) usou um método de impressão 3D bastante incomum: polimerização de dois fótons.
Este método de alta resolução é usado principalmente para imprimir microestruturas na faixa de nanômetros e micrômetros – não para imprimir estruturas tridimensionais na faixa de milímetros cúbicos. A fim de criar fantasmas de tamanho adequado para dMRI, os pesquisadores da TU Wien têm trabalhado para ampliar o processo de impressão 3D e permitir a impressão de objetos maiores com detalhes de alta resolução. A impressão 3D em alta escala fornece aos pesquisadores modelos muito bons que – quando visualizados em dMRI – tornam possível atribuir várias estruturas nervosas.
Michael Woletz compara esta abordagem para melhorar as capacidades de diagnóstico da dMRI com a forma como uma câmera de celular funciona: “Vemos o maior progresso na fotografia com câmeras de celular, não necessariamente em lentes novas e melhores, mas no software que melhora as imagens capturadas . A situação é semelhante com a dMRI: usando o fantasma cerebral recentemente desenvolvido, podemos ajustar o software de análise com muito mais precisão e, assim, melhorar a qualidade dos dados medidos e reconstruir a arquitetura neural do cérebro com mais precisão.”
Software de análise de trens fantasmas cerebrais
A reprodução autêntica de estruturas nervosas características no cérebro é, portanto, importante para “treinar” o software de análise dMRI. O uso da impressão 3D permite criar designs diversos e complexos que podem ser modificados e personalizados. Os fantasmas cerebrais representam, portanto, áreas do cérebro que geram sinais particularmente complexos e são, portanto, difíceis de analisar, como as vias nervosas que se cruzam.
Para calibrar o software de análise, o fantasma cerebral é examinado usando dMRI e os dados medidos são analisados como em um cérebro real. Graças à impressão 3D, o desenho dos fantasmas é conhecido com precisão e os resultados da análise podem ser verificados. A MedUni Vienna e a TU Wien conseguiram mostrar que isto funciona como parte do trabalho de investigação conjunto. Os simuladores desenvolvidos podem ser usados para melhorar a dMRI, o que pode beneficiar o planejamento de operações e pesquisas em doenças neurodegenerativas, como Alzheimer, Parkinson e esclerose múltipla.
Apesar da prova de conceito, a equipe ainda enfrenta desafios. O maior desafio no momento é ampliar o método: “A alta resolução da polimerização de dois fótons torna possível imprimir detalhes na faixa de micro e nanômetros e, portanto, é muito adequada para imagens de nervos cranianos. Ao mesmo tempo, porém, leva um tempo correspondentemente longo para imprimir um cubo com vários centímetros cúbicos de tamanho usando esta técnica”, explica Chalupa-Gantner. “Portanto, não pretendemos apenas desenvolver designs ainda mais complexos, mas também otimizar ainda mais o próprio processo de impressão.”
Referência: “Rumo à impressão do cérebro: um fantasma microestrutural da verdade fundamental para ressonância magnética” por Michael Woletz, Franziska Chalupa-Gantner, Benedikt Hager, Alexander Ricke, Siawoosh Mohammadi, Stefan Binder, Stefan Baudis, Aleksandr Ovsianikov, Christian Windischberger e Zoltan Nagy, 07 Janeiro de 2024, Tecnologias Avançadas de Materiais.
DOI: 10.1002/admt.202300176
