Fotoacústica, Ultrassonografia e Angiotomografia Integradas (PAUSAT) para Imagem Não Invasiva do Cérebro Inteiro do Acidente Vascular Cerebral Isquêmico

O sangue transporta oxigênio (através da proteína da hemoglobina) e outros nutrientes importantes para os tecidos do nosso corpo. Quando o fluxo de sangue através dos tecidos é interrompido (isquemia), danos graves aos tecidos podem ocorrer, cujos efeitos mais imediatos são devidos à falta de oxigênio (hipóxia). O acidente vascular cerebral isquêmico é o resultado da interrupção do fluxo sanguíneo para uma determinada região do cérebro. O dano cerebral resultante de um acidente vascular cerebral isquêmico pode ocorrer em poucos minutos após o bloqueio do vaso e, muitas vezes, pode ter efeitos debilitantes e duradouros ^1,2. Uma estratégia de grande valor para avaliar a fisiopatologia após AVC isquêmico e identificar e testar novos tratamentos é o uso de modelos de pequenos animais em laboratório. Os tratamentos descobertos em laboratório visam ser traduzidos para uso clínico e melhorar a vida dos pacientes. No entanto, o uso de animais em pesquisas biomédicas precisa ser cuidadosamente avaliado de acordo com os princípios dos 3Rs de Russell e Burch: substituição, redução e refinamento³. O objetivo do componente de redução é reduzir o número de animais sem comprometer a coleta de dados. Com isso em mente, a possibilidade de avaliar longitudinalmente a evolução da lesão por meio de imagens não invasivas permite uma grande vantagem na redução do número de animais necessários, bem como na maximização das informações obtidas de cada^animal4.

A tomografia fotoacústica (TAP) é uma modalidade de imagem híbrida que combina contraste de absorção óptica com imagem de ultrassom de resolução^espacial5. O mecanismo de imagem do PAT é o seguinte. Um pulso de laser de excitação é iluminado no alvo que está sendo fotografado. Supondo que o alvo absorva luz no comprimento de onda do laser de excitação, ele aumentará de temperatura. Este rápido aumento da temperatura resulta em uma expansão termoelástica do alvo. A expansão faz com que uma onda de ultrassom se propague para fora do alvo. Ao detectar a onda de ultrassom em muitas posições, o tempo necessário para que a onda se propague do alvo para os detectores pode ser usado para criar uma imagem através de um algoritmo de reconstrução. A capacidade do PAT em detectar absorção óptica em regiões teciduais profundas diferencia o PAT do ultrassom, que detecta limites de diferentes impedâncias acústicas dos^tecidos5. Nos espectros do visível e do infravermelho próximo, as principais biomoléculas altamente absorventes e abundantes nos organismos são a hemoglobina, os lipídios, a melanina e a água⁷. De particular interesse no estudo do acidente vascular cerebral é a hemoglobina. Como a oxihemoglobina e a desoxihemoglobina têm espectros ópticos de absorção diferentes, o PAT pode ser usado com comprimentos de onda de laser de excitação múltipla para determinar a concentração relativa dos dois estados da proteína. Isso permite quantificar a saturação de oxigênio da hemoglobina (sO₂), ou oxigenação sanguínea, dentro e fora da região do infarto ^8,9. Esta é uma medida importante no AVC isquêmico, pois pode indicar o nível de oxigênio no tecido cerebral danificado após isquemia.

A angiografia acústica (AA) é um método de imagem ultrassonográfico com contraste que é particularmente útil para obter imagens da morfologia da vasculatura in vivo¹⁰. O método baseia-se no uso de um transdutor wobbler de elemento duplo (um elemento de baixa frequência e um elemento de alta frequência) em conjunto com microbolhas injetadas no sistema circulatório do sujeito da imagem. O elemento de baixa frequência do transdutor é usado para transmitir na frequência ressonante das microbolhas (por exemplo, 2 MHz), enquanto o elemento de alta frequência é usado para receber os sinais super harmônicos das microbolhas (por exemplo, 26 MHz). Quando excitadas em uma frequência ressonante, as microbolhas têm uma forte resposta não linear, resultando na produção de sinais superharmônicos que os tecidos corporais circundantes não produzem¹¹. Ao receber com um elemento de alta frequência, isso garante que apenas os sinais de microbolhas sejam detectados. Como as microbolhas estão confinadas aos vasos sanguíneos, o resultado é uma imagem angiográfica da morfologia dos vasos sanguíneos. O AA é um método poderoso para a obtenção de imagens de acidente vascular cerebral isquêmico, pois as microbolhas que fluem através do sistema circulatório não são capazes de fluir através dos vasos bloqueados. Isso permite que o AA detecte regiões do cérebro que não são perfundidas devido ao AVC isquêmico, o que indica a região do infarto.

A pesquisa pré-clínica do AVC isquêmico geralmente se baseia no uso de histologia e testes comportamentais para avaliar a localização e a gravidade do AVC. A coloração com cloreto de trifeniltetrazólio (TTC) é uma análise histológica comum usada para determinar o volume do infarto sistólico. No entanto, só pode ser utilizada em um ponto final, pois requer a eutanásia^{do animal 12}. Testes comportamentais podem ser usados para determinar o comprometimento da função motora em múltiplos momentos, mas não podem fornecer valores anatômicos ou fisiológicos quantitativos¹³. A imagem biomédica fornece uma abordagem mais quantitativa para estudar os efeitos do AVC isquêmico de forma não invasiva e longitudinal 9,14,15. No entanto, as tecnologias de imagem existentes (como a ressonância magnética [RM] de pequenos animais) podem ter um alto custo, ser incapazes de fornecer informações estruturais e funcionais simultâneas ou ter profundidade de penetração limitada (como a maioria das técnicas de imagem óptica).

Aqui, combinamos fotoacústica, ultrassonografia e angiotomografia (PAUSAT; ver diagrama do sistema na Figura 1), que permite informações estruturais e funcionais complementares da perfusão e oxigenação sanguínea após acidente vascular cerebral isquêmico16. Esses são dois aspectos importantes na avaliação da gravidade da lesão e no monitoramento da recuperação ou resposta aos tratamentos. O uso desses métodos integrados de imagem pode aumentar a quantidade de informações obtidas por cada animal, reduzindo o número de animais necessários e fornecendo mais informações no estudo de possíveis tratamentos para AVC isquêmico.

Figura 1: Diagrama PAUSOT. (A) Esquema completo do sistema PAUSOT, incluindo o laser e o OPO utilizados para PAT. (B) Vista interna do sistema PAUSAT, incluindo dois transdutores de ultrassom. O transdutor wobbler de elemento duplo é usado para ultrassom modo B e AA, e o transdutor de arranjo linear é usado para PAT. Ambos os transdutores são montados no mesmo estágio motorizado 2D, permitindo a varredura para gerar dados volumétricos. Este número foi modificado de¹⁶. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.