Aplicações da ressonância magnética para medidas espectroscópicas da neurotransmissão

Graeme F Mason^a, Kevin L Behar^b, John H Krystal^b e Douglas L Rothman^c

^aDepartment of Psychiatry of the Yale University, School of Medicine, Haven, USA e Department of Biomedical Engineering of the Yale University, School of Medicine, Haven, USA. ^bDepartments of Psychiatry of the Yale University, School of Medicine, Haven, USA. ^cDepartments of Diagnostic Radiology of the Yale University, School of Medicine, Haven, USA

INTRODUÇÃO

A ressonância magnética é conhecida pelas imagens anatômicas. É uma técnica de grande utilidade por não usar radiação ionizante e por permitir o estudo de aspectos fisiopatológicos de vários transtornos cerebrais. Com desenvolvimentos recentes na metodologia de espectroscopia por ressonância magnética (ERM), hoje em dia é possível medir substâncias químicas específicas durante tratamentos farmacológicos, ou alterações neuroquímicas que possam estar relacionadas com processos fisiopatológicos presentes em várias doenças neuropsiquiátricas, em estágios iniciais nos quais ainda não se pode observar mudanças anatômicas correspondentes, como, por exemplo alterações nos níveis de ácidos aspártico-N-acetil (ANA) e gama-amino-butírico (GABA). A ERM permite avaliar mudanças cinéticas nas vias metabólicas do cérebro resultantes de tais alterações e propicia também maneiras de se medir as velocidades de síntese de vias neuroquímicas e de neurotransmissão nos seres humanos in vivo. O objetivo do presente artigo consiste na descrição do emprego da ERM para tais medidas cinéticas.

A teoria básica da espectroscopia por ressonância magnética

Os núcleos de alguns isótopos do hidrogênio, do fósforo, do carbono, e de alguns outros elementos, têm propriedades quân ticas que lhes fazem se comportar de uma maneira análoga aos ímãs comuns. Na presença de um campo magnético dezenas de milhares vezes maior que a o campo magnético da Terra, podem propiciar uma quantidade considerável de informações químicas.

Dentro do campo magnético, os núcleos respondem com freqüências similares às utilizadas nas faixas de rádios FM, em proporção à magnitude do campo magnético, pois a ressonância clínica de 1,5 Tesla tem uma freqüência de 64 MHz, enquanto que uma máquina de 8 Tesla tem uma freqüência de 343 MHz. Para adquirir o sinal, são transmitidos pulsos magnéticos de microsegundos a milisegundos, com a freqüência do campo magnético, os quais perturbam o equilíbrio dos núcleos no ímã (Figura 1B). Assim que voltam ao equilíbrio, os núcleos emitem energia quase na mesma freqüência (Figura 1C). Assim, colocando uma pessoa no aparelho de ressonância magnética e criando-se um campo magnético com a freqüência do ¹H, recebe-se o sinal mostrado na Figura 1D, que representa principalmente a água, pois a água tem a concentração de ¹H de 110 M. É esse sinal que se emprega principalmente para fazer as imagens clínicas convencionais da ressonância.

Em estudos bioquímicos, utiliza-se outra fonte da potência enorme da ressonância: a espectroscopia (ERM). Já foi dito que a freqüência de um núcleo depende da amplitude do campo magnético em volta de si. Embora o maior efeito seja pelo campo principal do ímã, também existe a influência microscópica eletrônica em núcleos atômicos individuais. Por exemplo, os elétrons se aconchegam aos núcleos de influência do campo magnético, pois o oxigênio atrai os elétrons até si mesmo, expondo mais os núcleos de hidrogênio que ficam por perto. Em geral, essas influências aumentam ou diminuem a freqüência de MHz por uma quantidade de Hz ou milhares de Hz. Assim, o ácido glutâmico, o neurotransmissor excitatório principal no cérebro, se representa no espectro do hidrogênio em vários locais deste espectro, dependendo da vizinhança local de cada núcleo. Cada composto químico detectado no cérebro humano tem uma distribuição diferente de freqüências (Figura 2), e pelas variações locais se obtém a informação química.

Aplicações à avaliação da neurotransmissão

Um dos núcleos até agora mais utilizados na psiquiatria é o ¹H. Ele é empregado para fazer imagens convencionais de ressonância magnética e para a obtenção de medidas de concentrações de vários metabólitos relacionados com a neurotransmissão. Outro núcleo importante nos estudos da neurotransmissão é o ¹³C, que além de permitir medidas de concentrações metabólicas, serve para medidas cinéticas de metabolismo energético e da neurotransmissão. Outros elementos, tais como o ³¹P, o ⁷Li, e o ¹⁹F também são utilizados em estudos relacionados à psiquiatria, mas se prestam a estudos de aspectos diferentes do metabolismo cerebral e ficam fora do foco do presente artigo.

¹H

A ressonância do ¹H tem a grande vantagem da maior sensibilidade, devido, em grande parte, ao fato da maioria dos aspectos químicos de interesse serem compostos de muito hidrogênio. Espectros do hidrogênio são vistos na Figura 2, mostrando a detecção do ácido glutâmico, da glutamina, do GABA e de outros compostos neuroquímicos. A maioria dos sinais de interesse se colocam numa região espectral de centenas de Hz, que por razões técnicas facilitam a localização de sinais em volumes específicos. Por outro lado, a proximidade de tantos sinais de interesse introduz o problema da resolução espectral. Isto é, não há resolução suficiente para se quantificar separadamente a glutamina e o ácido glutâmico nos aparelhos de ressonância mais comumente disponíveis para uso humano (1,5 Tesla). A resolução é maior em aparelhos de 2T e melhora mais ainda em 4T.¹ Com a ERM de ¹H, também tem-se que enfrentar o problema oriundo dos sinais de lípidos e dos 110.000 mM de ¹H da água em relação ao sinal de 1-30 mM de ¹H dos compostos químicos de interesse. Vários métodos já foram desenvolvidos para diminuição seletiva do sinal oriundo da água presente no tecido cerebral.

Além da água, é possível ver sinais de muitos outros compostos. No presente artigo, os autores concentraram-se em quatro compostos relacionados diretamente à função cerebral: o GABA, o ácido glutâmico, a glutamina e o ANA. O sinal mais destacado do cérebro vem do ANA, que se coloca primariamente em neurônios glutamatérgicos² e tem funções ainda desconhecidas. Logo depois da sua identificação e localização específica em neurônios e seus processos, acreditava-se que uma diminuição do ANA representasse morte neuronal. Porém, estudos mais recentes demonstram a possibilidade da recuperação do ANA, mostrando que basta o comprometimento dos neurônios para diminuir a concentração do ANA. Por exemplo, é possível haver aumento do ANA durante o ciclo menstrual,³ ou após o tratamento da epilepsia.⁴ É possível que o nível do ANA se relacione à viabilidade energética do neurônio, pois o ANA é fabricado pela enzima aspartil-acetil transferase, na mitocôndria. A ligação energética abre ainda mais a possibilidade de uma ligação entre o ANA e a função cerebral. Na ERM, demonstra-se reduções do ANA no lobo frontal em pacientes com esquizofrenia,⁵ um transtorno que se manifesta, entre outros sintomas, como déficits da função de regiões frontais. Também é reportada na esquizofrenia uma diferença dos níveis do ácido glutâmico ou da glutamina,⁶ ligando os resultados a alterações neuroquímicas.

O ácido glutâmico e a glutamina podem ser medidos para se observar aspectos funcionais da neurotransmissão. O ácido glutâmico é o neurotransmissor mais comum no cérebro de mamíferos e participa dos ciclos de translocação entre os neurônios e as células astrocíticas⁷ (Figura 3). Resumidamente, os neurônios glutamatérgicos liberam o ácido glutâmico, que é transportado para dentro dos astrócitos, onde se desativa através da conversão em glutamina. A glutamina volta para neurônios glutamatérgicos para reconverter-se em ácido glutâmico e se transloca também ao neurônio GABAérgico, onde se converte no GABA. Outro ciclo químico análogo consiste na entrada do ácido glutâmico nos neurônios GABAérgicos para se converter no GABA. Pode-se, com facilidade, imaginar que modificações em quaisquer desses ciclos podem alterar as concentrações do ácido glutâmico, da glutamina e do GABA. Na depressão, são encontradas diminuições do GABA em 30-40% dos pacientes, em comparação com controles, em áreas do córtex occipital.^8,9 A diminuição do GABA normaliza-se após tratamento com anti-depressivos,¹⁰ mas os efeitos no ácido glutâmico ainda não foram investigados. O ácido glutâmico está alterado na depressão, mas existe controvérsia se há um aumento⁹ ou uma diminuição.¹¹ Também são relatadas alterações do GABA, do ácido glutâmico, da glutamina ou do ANA na detoxificação do álcool,¹² no transtorno disfórico pré-menstrual,^3,13 em cocainômanos¹⁴ e no transtorno do pânico.^* * Goddard A, Mason G, Almai A, Rothman D, Behar K, Petroff O, et al. Reductions in cortical GABA levels in panic disorder detected with 1H-magnetic resonance spectroscopy. Arch Gen Psych 2000. No prelo.

¹³C

Um por cento do carbono natural é composto pelo isótopo ¹³C, que apesar de não ser radioativo pode ser detectado pela ERM e oferece a possibilidade de interpretar a bioquímica pelas medidas da ERM de ¹H. O ¹³C é um isótopo que é detectado com sensibilidade menor que o ¹H em estudos com ERM, mas a sua baixa concentração no cérebro propicia a possibilidade de se realizar estudos em que se pode introduzir substratos naturais enriquecidos com ¹³C e observar o surgimento dos produtos marcados com o ¹³C no cérebro in vivo (Figura 4A). Em geral, quanto mais rapidamente se detecta esses produtos de vias cerebrais específicas, mais rápidos são os processos metabólicos cerebrais que geram esses produtos.¹⁵ Até agora, a maioria dos estudos têm utilizado a [1-¹³C]glicose e a [2-¹³C]glicose, utilizando a ERM no cérebro in vivo para detectar o ácido glutâmico e a glutamina, para medir as velocidades de oxidação de glicose,^16-19 o ciclo neurotransmissor entre o ácido glutâmico e a glutamina,^20,21 as vias anapleróticas²² e vários níveis de função.²³

Emprego do ¹³C para medidas cinéticas

Esse tipo de uso da ERM pode ser exemplificado pela situação de um produto P enriquecido pelo isótopo de um substrato S em qual já se incorporou o ¹³C. Nessa situação idealizada, com o enriquecimento do S subindo no momento t=0, imediatamente até o nível E, se escrevem duas equações diferenciais, uma para calcular mudanças da massa do P (dP/dt=V-V=0), e a outra para o enriquecimento do P (dP^*/dt=VE-VP^* /P), com a solução do P^*=PE[1-exp(tV/P )]. Num estudo da ERM do núcleo ¹³C, se faria uma infusão intravenosa do S^*, e ao longo de uma ou duas horas, se utilizaria a ERM para observar a aparência do P^*. Na análise dos dados, a concentração do P é medida e se calcula o parâmetro V que mais se adequa à equação exponencial construída com os dados obtidos. Enquanto esse exemplo ilustra as idéias básicas do método, o esquema da neurotransmissão é bem mais complicado.

Para medir a velocidade da neurotransmissão, compara-se a acumulação do ácido glutâmico e da glutamina ao longo do tempo, pois estudos da histoquímica têm localizado a síntese da glutamina em astrócitos, enquanto a glutaminase é observada primariamente nos neurônios.²⁴ Conseqüentemente, o ácido glutâmico é liberado dos neurônios, entra no astrócito, onde se converte em glutamina, e volta ao neurônio para se converter de novo no ácido glutâmico para a reutilização, tudo isto constituindo um ciclo neurotransmissor do glutamato-glutamina. Num estudo de ERM de ¹³C, o isótopo entra no cérebro através do transportador de glicose, é metabolizado via glicólise, entra no ciclo do ácido tricarboxílico, onde se incorpora no composto ácido alfa-ketoglutárico, que rapidamente é convertido em ácido glutâmico. Logo depois, é liberado pelos neurônios, passando pelos astrócitos na forma de glutamina. A acumulação do isótopo ao longo do tempo é mostrada na Figura 4B, a partir da qual pode-se calcular que no ser humano o glutamato é liberado para a neurotransmissão numa velocidade de 0,32 mmol min^-1 g^-1.²⁵ Estudos do mesmo processo em ratos têm demonstrado uma forte dependência da neurotransmissão glutamatérgica no nível basal de função cerebral, e se imagina que o mesmo aconteça no ser humano. Pesquisas dos transtornos psiquiátricos e do alcoolismo utilizando a ERM do ¹³C estão começando agora e logo nos indicarão como são as ligações entre a função e a atividade glutamatérgica no ser humano.

DISCUSSÃO

O futuro da ERM na psiquiatria pode avançar por três vias. Para conseguir aplicações gerais é preciso que a tecnologia e os equipamentos utilizados estejam mais amplamente disseminados, pois assim será prático estudar populações maiores. Essas populações mais diversas deverão incluir um grupo até agora muito pouco estudado em estudos de neuroimagem, qual seja o dos adolescentes, uma vez que a ERM não envolve radioatividade, o que aumenta consideravelmente a possível utilidade da ERM para esse grupo.

A segunda via será o desenvolvimento técnico continuado dos aparelhos de ERM, com maior resolução e possibilidades para novas aplicações. Isso já está acontecendo com rapidez, com novos métodos de imagens de ERM, provendo as concentrações não somente num único volume parcial , mas em várias regiões cerebrais.²⁶ Além das imagens convencionais de ERM que são estáticas, estão se desenvolvendo agora também imagens de ERM que sejam cinéticas, utilizando o ¹³C.²⁷ Um outro aspecto de importância crescente é que se considere nesses estudos a influência de variações em componentes cerebrais específicos, pois tecidos diferentes (substância cinzenta ou branca) freqüentemente contém concentrações químicas diferentes.^28,29

A terceira via será o aumento dos campos magnéticos utilizados na clínica, de 1,5 Tesla para até 3 Tesla ou 4 Tesla. A amplitude do sinal e a resolução espectral aumentam de acordo com a amplitude do campo magnético, facilitando especialmente a mensuração do ácido glutâmico e da glutamina.

Em conclusão, é preciso que novos métodos e novos equipamentos sejam desenvolvidos, e que os métodos já desenvolvidos e testados sejam utilizados de maneira robusta e prática para pesquisas clínicas que envolvam populações maiores. Desta forma, pode-se antever o dia em que a ERM será uma ferramenta para diagnóstico em psiquiatria.

Trabalho realizado parcialmente com apoio financeiro das linhas de pesquisa NS37527, P30 MH30929-22, AA11321-01A2, NS34813 (Institutos Nacionais de Saúde, EUA); e da Theodore and Vada Stanley Foundation, da National Alliance for Research in Schizophrenia and Affective Disorders (NARSAD).

Correspondência: Graeme F. Mason

Magnetic Resonance Center, Yale University, School of Medicine

333 Cedar St. - 06520-8043 New Haven, CT, USA

Tel.: (00xx11) (203) 737-1478 - Fax: (00xx11) (203) 785-6643 - E-mail: graeme.mason@yale.edu

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