Novo mapa corporal de IA revela o ataque oculto da obesidade aos nervos faciais

O estudo também identificou padrões moleculares semelhantes em tecidos humanos, sugerindo que aspectos importantes dos danos nos nervos relacionados com a obesidade podem ocorrer tanto em ratos como em humanos. Os resultados foram publicados na revista a natureza.

Sabe-se que a obesidade afeta muito mais do que o peso corporal e o metabolismo. Pode alterar a atividade imunológica, perturbar a estrutura nervosa e remodelar tecidos por todo o corpo, aumentando o risco de doenças como diabetes tipo 2, doenças cardiovasculares, acidente vascular cerebral, neuropatia e cancro. Apesar destas amplas implicações, os cientistas carecem de ferramentas capazes de estudar detalhadamente as alterações relacionadas com a doença em todo o corpo intacto.

Para enfrentar esse desafio, uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Ali Erturk, diretor do Instituto Helmholtz de Inteligência Biológica (IBIO) em Munique e professor da LMU, desenvolveu o MouseMapper. A AI Framework Foundation usa algoritmos de aprendizagem profunda baseados em modelos para analisar enormes conjuntos de dados de imagens de corpo inteiro.

O sistema pode identificar e segmentar automaticamente 31 órgãos e tipos de tecidos e mapear células nervosas e imunológicas em todo o corpo. Isto permite aos pesquisadores examinar como as doenças afetam vários sistemas de órgãos ao mesmo tempo em camundongos intactos.

“O Mousemapper é construído sobre um modelo básico, o que significa que ele generaliza muito mais do que os dados nos quais foi originalmente treinado”, disse Ying Chen, coautor do estudo.

Ratos translúcidos e imagens de corpo inteiro

Para mapear o corpo, os pesquisadores primeiro marcaram os nervos e as células imunológicas dos ratos usando marcadores fluorescentes que brilham sob um microscópio. Eles então usaram um método de limpeza de tecidos para tornar os ratos transparentes, preservando os sinais fluorescentes, permitindo que os cientistas olhassem profundamente no corpo sem separar os tecidos.

Em seguida, a equipe usou microscopia avançada de folha de luz para capturar imagens tridimensionais detalhadas de todo o mouse. O processo gerou enormes conjuntos de dados contendo milhões de estruturas celulares de órgãos e tecidos de todo o corpo.

O MouseMapper então analisa automaticamente as imagens, identificando regiões anatômicas, redes neurais e aglomerados de células imunológicas em todo o animal.

Com esse método, os pesquisadores podem identificar exatamente onde ocorreu a inflamação e os danos aos tecidos, como tecido adiposo, músculos, fígado e nervos periféricos. Ao contrário dos métodos anteriores, os cientistas não eram obrigados a escolher antecipadamente regiões específicas para estudar.

A obesidade está associada a danos no nervo facial

Para explorar como a obesidade altera o corpo, os investigadores alimentaram ratos com uma dieta rica em gordura que produziu obesidade e problemas metabólicos semelhantes aos observados em humanos.

Usando o MouseMapper, a equipe encontrou mudanças generalizadas na organização das células imunológicas e na estrutura neural por todo o corpo. Uma das descobertas mais surpreendentes é o nervo trigêmeo, um importante nervo da face responsável pela sensação facial e por certas funções motoras.

Em camundongos obesos, esses nervos sensoriais apresentam maior redução nas ramificações e nas terminações nervosas, sugerindo função nervosa prejudicada. Experimentos comportamentais apoiaram essa conclusão, mostrando que ratos obesos respondiam menos a estímulos sensoriais do que ratos magros.

Os pesquisadores então se concentraram no gânglio trigêmeo, que contém os corpos celulares dos neurônios sensoriais faciais. Através da análise proteômica espacial, eles identificaram alterações moleculares associadas à inflamação e remodelação nervosa.

É importante ressaltar que a mesma assinatura molecular também foi encontrada no tecido trigêmeo de indivíduos obesos. Isto sugere que as alterações neurais observadas em ratos também podem ocorrer em humanos.

“Revelámos alterações estruturais e moleculares anteriormente desconhecidas no gânglio trigeminal e nos seus ramos faciais, e a mesma assinatura molecular foi conservada no tecido humano. Tais descobertas não poderiam ter surgido do estudo de apenas um órgão de cada vez”, disse a Dra. Doris Kaltenecker, investigadora do Instituto de Diabetes e Cancro e primeira autora do estudo de Munschich.

Uma nova ferramenta para estudar doenças complexas

Os pesquisadores acreditam que o MouseMapper pode se tornar uma ferramenta importante para estudar doenças que afetam simultaneamente vários sistemas orgânicos, incluindo diabetes, câncer, doenças neurodegenerativas e doenças autoimunes.

Ao contrário das abordagens anteriores que se concentravam em tecidos ou órgãos individuais, o MouseMapper fornece um sistema integrado de análise de corpo inteiro que pode identificar pontos críticos de doenças em um organismo.

A equipe disponibilizou publicamente on-line conjuntos de dados de corpo inteiro para que pesquisadores de todo o mundo possam explorar as mudanças relacionadas à obesidade em órgãos e tecidos.

“Nosso objetivo é criar um quadro abrangente para a compreensão de como as doenças afetam o corpo como um sistema interligado”, disse Ali Erturk. “Nossa visão de longo prazo é criar gêmeos digitais verdadeiramente realistas de camundongos na saúde e na doença: atlas em nível de célula que possamos interrogar computacionalmente, perturbar e rastrear in silico. Isso nos permitirá identificar mudanças precoces que causam doenças, projetar intervenções para preveni-las e acelerar a descoberta dos números que precisamos para realizar testes físicos para novos tratamentos.”

O trabalho foi apoiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa (consolidando a concessão Calvaria para A. Erturk; concessão 949017 para M. Roehm), a Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) sob a Estratégia de Excelência Alemã dentro do Cluster de Munique para Neurologia de Sistemas 1052 (A9) e TR 296 (P03), Centro de Pesquisa Colaborativa CRC 1744, Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (colaboração NATON, 01KX2121, e HIVacToGC), a Vascular Dementia Research Foundation, o Nomis Heart Atlas Project Grant da Else-Kröner-Fresenius-Stiftung, a Edith-Haberland-Wagner Stiftung, a Helmut Horten Foundation, EFSD e Novo Nordisk A/S Program for Diabetes Research in Europe (para D. Kaltenecker) e o China Scholarship Council (para Y. Chen próximo).