19 de junho de 2018     | por Karina Toledo, para a Agência FAPESP

Pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) desenvolveram um modelo matemático que permite simular no computador as alterações que ocorrem nos neurônios motores de portadores de esclerose lateral amiotrófica (ELA) – doença que vitimou o físico britânico Stephen Hawking.

Caracterizada por um quadro de paralisia muscular progressiva, a ELA é causada por mutações genéticas – herdadas ou não – que prejudicam a produção ou a atividade de uma enzima chamada SOD1 (cobre-zinco superóxido dismutase), responsável por proteger as células nervosas de subprodutos tóxicos do metabolismo. Esse quadro leva à degeneração e morte dos neurônios motores, responsáveis por enervar os músculos esqueléticos e controlar os movimentos voluntários.

O objetivo principal do grupo coordenado pelo professor Leonardo Abdala Elias, chefe do Laboratório de Pesquisa em Neuroengenharia da Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da Unicamp, é compreender os mecanismos moleculares associados à degeneração neuronal – identificar, por exemplo, eventuais alterações no funcionamento de proteínas permeáveis a íons como cálcio, sódio e potássio (os canais iônicos) que possam afetar a resposta do neurônio e, consequentemente, o controle da força muscular.

“Usamos um simulador computacional para buscar, em um estágio ainda pré-sintomático da doença, um marcador biológico, ou seja, um fenômeno biofísico que ocorre na membrana do neurônio motor e afeta a atividade elétrica da célula e o controle da força muscular. Isso abriria caminho para o estudo de intervenções farmacológicas capazes de reverter ou amenizar o problema”, disse Elias, que também é diretor do Centro de Engenharia Biomédica da Unicamp.

Como explicou Elias, nos mamíferos existem dois tipos de neurônios motores: os superiores e os inferiores. No cérebro, o neurônio motor superior envia impulsos elétricos que viajam até os neurônios motores inferiores, localizados ao longo da medula espinhal e no tronco encefálico. Esses impulsos são conduzidos até os músculos, que os transformam em movimentos.

Durante o mestrado de Débora Elisa da Costa Matoso, foi desenvolvido um modelo matemático capaz de simular a dinâmica de um neurônio motor inferior – tanto em uma condição saudável quanto em um quadro de ELA. Para isso, o grupo se baseou em dados obtidos por meio de experimentos com roedores publicados na literatura científica.

“Não há dados de pacientes humanos disponíveis, apenas de modelos de camundongos geneticamente modificados para reproduzir um quadro semelhante à ELA. Para validar o modelo, simulamos os mesmos experimentos feitos com os animais em laboratórios. Observamos resultados compatíveis com os obtidos in vivo e in vitro, o que sugere que o modelo é capaz de representar o que acontece com o neurônio motor inferior ao longo da progressão da doença no camundongo”, contou.

Neurônio motor: à esquerda representação do sistema biológico; ao centro, representação do modelo matémático;
à direita representação do modelo computacional (ilustração: Débora Matoso)

Por meio de simulações computacionais, o grupo está estudando principalmente o que acontece em três canais iônicos: um permeável ao íon sódio, que normalmente está localizado no corpo celular do neurônio, outro permeável ao cálcio, que costuma estar localizado nas ramificações dendríticas, e um terceiro canal de potássio encontrado tanto no corpo celular quanto no dendrito.

Segundo Elias, os resultados têm sugerido que o canal de potássio é fundamental para explicar algumas alterações importantes observadas na dinâmica do neurônio motor inferior – embora existam poucos dados de experimentos com animais capazes de corroborar esse achado.

“O único medicamento atualmente disponível para tratar a ELA, o Riluzol, atua nos canais persistentes de sódio. Se conseguirmos mostrar com o modelo que outros canais iônicos estão também envolvidos nesse processo de degeneração, abrimos espaço para que novas pesquisas sejam feitas com animais para testar novas intervenções farmacológicas”, disse Elias.

Agora, durante o doutorado, Matoso pretende desenvolver um modelo completo do sistema neuromuscular para investigar como os mecanismos biofísicos que alteram a dinâmica do neurônio motor influenciam a geração da força em um estágio inicial da doença.

“Em paralelo, pretendemos fazer experimentos em parceria com grupos que tenham acesso a pacientes com ELA para tentar coletar o máximo de dados e, assim, validar o modelo em desenvolvimento. Em uma segunda etapa da pesquisa, vamos comparar os resultados de simulação com os experimentais, buscando perspectivas de intervenções clínicas e farmacológicas”, contou.

Além disso, Elias firmou parceria com uma equipe do BRAINN coordenada pelo professor Li Li Min para estudar o efeito de diferentes técnicas de neuromodulação (aplicação de correntes elétricas, estimulação magnética transcraniana e ultrassom focalizado) no controle da força de pacientes que sofreram acidente vascular cerebral (AVC), portadores de Parkinson ou de ataxia cerebelares (grupo de doenças que afeta o controle do movimento).

18 de abril de 2017     Republicação de Texto por Peter Moon – Agência FAPESP

A esclerose lateral amiotrófica (ELA) é uma doença caracterizada pela degeneração de neurônios motores e que apresenta progressão geralmente rápida.

“A partir do momento do diagnóstico, cerca de 90% dos pacientes têm sobrevida de três a cinco anos”, disse Marcondes Cavalcante França Jr., chefe do setor de Doenças Neuromusculares da Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Marcondes e equipe são os responsáveis pelo atendimento dos pacientes com ELA no Hospital das Clínicas da Unicamp.

“Incurável, ELA é a terceira doença neurodegenerativa mais comum, depois do Alzheimer e Parkinson, e a que menos se conhecem as causas. Não conhecemos a etiologia da doença ou qual o seu fator desencadeante. Mas sabemos que de 5% a 10% dos casos têm substrato genético. E que cerca de 15 genes, quando sofrem mutação, estão relacionados ao desenvolvimento de ELA”, disse.

Na maioria dos casos, a esclerose lateral amiotrófica acomete pessoas com idades entre 50 e 65 anos. A prevalência no Brasil é de cinco casos para cada 100 mil habitantes. Hoje, aqui, leva-se em torno de 14 meses desde o aparecimento dos primeiros sintomas até a confirmação do diagnóstico. Nos Estados Unidos, Europa e Japão leva-se um pouco menos: 12 meses.

O tempo é longo por uma série de fatores. Os primeiros sintomas podem ser confundidos com os de outras doenças. O doente pode demorar a procurar um médico e, quando o faz, muitas vezes precisa recorrer a outros profissionais até receber o diagnóstico correto.

“Nosso trabalho visa encontrar meios para diagnosticar ELA em uma fase precoce, de modo a que os médicos possam melhor auxiliar o paciente durante a progressão da doença, bem como saber quais os tipos de tratamentos e de equipamentos que ele vai necessitar e quando”, disse Marcondes.

Marcondes e equipe buscam encontrar marcadores de imagem, sanguíneos e genéticos, que possam auxiliar no diagnóstico precoce da doença. O resultado mais recente da pesquisa foi publicado na revista NeuroImage: Clinical e está centrado no uso de técnicas avançadas de análise de imagens de ressonância magnética, capazes de revelar marcadores de ELA.

O estudo, conduzido no âmbito do Instituto Brasileiro de Neurociência e Neurotecnologia (BRAINN) – um Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPID) da FAPESP –, resulta também do doutorado de Milena de Albuquerque, orientado por Marcondes.

Foram analisadas imagens de ressonância magnética de 63 pacientes com ELA do Hospital das Clínicas da Unicamp. Os focos da análise foram a espessura do córtex cerebral, o volume dos gânglios basais na região mais profunda do cérebro e a análise da substância branca do cérebro.

Os pesquisadores também analisaram a medula espinhal, comparando imagens obtidas no momento do diagnóstico de ELA com outras feitas oito meses depois, de modo a poder observar a evolução da doença.

“Encontramos alteração de espessura no córtex da região pré-central, a região motora primária. Observamos também alterações em tratos da substância branca na região profunda do cérebro e também no corpo caloso (estrutura localizada na fissura longitudinal e que conecta os hemisférios cerebrais). Por fim, detectamos redução progressiva de volume na medula espinhal”, disse Marcondes.

Segundo o neurologista, trabalhos anteriores mostraram alterações no córtex cerebral, “mas a quantificação do grau de atrofia na medula é algo novo. Os estudos anteriores se debruçaram sobre o cérebro ou a medula, mas praticamente nenhum abordou ambos ao mesmo tempo”.

“Em seguida, comparamos os diferentes parâmetros de imagens para saber qual o mais sensível para detectar a progressão da doença. Vimos que eram exatamente as imagens da medula espinhal. A conclusão é que devemos analisar com mais cuidado a medula espinhal, pois se trata de um dos marcadores mais sensíveis para o acompanhamento de pacientes com ELA no longo prazo e, portanto, útil para a estimativa do prognóstico”, disse.

Marcadores genéticos

“Os sintomas iniciais de ELA são perda de força e atrofia muscular localizada. A doença tende a se espalhar, levando à perda generalizada dos movimentos e à imobilização do paciente. Nos últimos estágios da doença, o paciente perde a capacidade de deglutir, passando a receber nutrição por sonda, e até de respirar, sendo conectado ao respirador artificial”, explicou Marcondes.

Em cerca de 90% dos casos, a progressão é rápida. Nos demais, no entanto, a progressão é mais branda, com os doentes ultrapassando a barreira dos cinco anos de sobrevida após o diagnóstico e sobrevivendo por até 10 ou muito raramente 20 anos.

É o caso do físico inglês Stephen Hawking, a vítima mais conhecida da doença. Hawking foi diagnosticado com ELA quando tinha 21 anos, em 1963. Na época, seus médicos lhe deram dois anos de sobrevida. Em janeiro, Hawking completou 75 anos.

Uma segunda linha de pesquisa da equipe de Marcondes em busca do diagnóstico precoce da ELA está centrada em marcadores genéticos. O RNA (ácido ribonucleico) é uma molécula responsável pela síntese de proteínas nas células. Existe um tipo de RNA, chamado microRNA, cuja função é regular a expressão de diversos genes. Há microRNAs que são expressos no cérebro e também nos músculos, por exemplo.

Um estudo do grupo com resultados publicados no Journal of the Neurological Sciences foca exatamente na busca de micro-RNAs que possam servir de marcadores de ELA. O trabalho também teve apoio da FAPESP.

“A partir da coleta do sangue de 39 pacientes e de 39 pessoas saudáveis [controle do experimento], usamos a tecnologia de PCR [reação em cadeia da polimerase] para verificar os níveis de expressão de microRNAs no plasma sanguíneo. Encontramos 11 microRNAs com expressão aumentada. O refinamento da análise acabou reduzindo os suspeitos para apenas dois, os de números 206 e 424, que estavam com níveis de expressão muito altos em alguns pacientes”, disse Marcondes.

A pesquisa consistiu, então, em avaliar os níveis dos dois microRNAs nos pacientes ao longo de 12 meses. Descobriu-se algo surpreendente. “Os pacientes com nível mais elevado daqueles micro-RNAs foram os que apresentaram, em uma relação indireta, a evolução mais branda da doença”, disse o pesquisador.

“Achamos que esses micro-RNAs têm um papel de tentar produzir uma reinervação muscular mais efetiva”, disse.

Em outras palavras, a expressão elevada dos microRNAs 206 e 424 seria uma tentativa de restabelecer as ligações destruídas das células do sistema nervoso com os músculos. E isso explicaria o avanço mais lento da doença.

“A conclusão é que a análise dos microRNAs 206 e 424 como biomarcadores oferece um importante potencial para acelerar no diagnóstico de ELA e estimar o prognóstico individual para cada paciente”, disse Marcondes.

O artigo Longitudinal evaluation of cerebral and spinal cord damage in Amyotrophic Lateral Sclerosis (doi: https://doi.org/10.1016/j.jns.2016.06.046), de Milena de Albuquerque, Lucas Melo T Branco, Thiago Junqueira R. Rezende, Helen Maia Tavares de Andrade, Anamarli Nucci, Marcondes Cavalcante França Jr., publicado em NeuroImage: Clinical, pode ser lido em http://dx.doi.org/10.1016/j.nicl.2017.01.024.

O artigo MicroRNAs-424 and 206 are potential prognostic markers in spinal onset amyotrophic lateral sclerosis (doi.org/10.1016/j.jns.2016.06.046), de Helen M.T. de Andrade, Milena de Albuquerque, Simoni H. Avansini, Cristiane de S. Rocha, Danyella B. Dogini, Anamarli Nucci, Benilton Carvalho, Iscia Lopes-Cendes, Marcondes C. França Jr., publicado em Journal of the Neurological Sciences,  está acessível em www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022510X1630377X.