Cerca de 20 milhões de pessoas são diagnosticadas com câncer a cada ano e quase 10 milhões de pessoas morrem. Embora o mau funcionamento das proteínas seja a principal causa de doenças malignas que perturbam a homeostase celular, a relação entre anomalias genéticas e cancro é bem reconhecida no campo da investigação do cancro. Até agora, a prevenção do cancro centrou-se na redução das consequências negativas das alterações genéticas. No entanto, há uma tendência crescente na quimioprevenção para alterar as proteínas que são codificadas por estes genes danificados. Por exemplo, a proteína BRCA1 ajuda a reparar danos no ADN, o que desempenha um papel na supressão tumoral. Indivíduos BRCA1 menos funcionais desenvolvem maior instabilidade genética, o que aumenta o risco de indução de câncer.
A análise de partículas únicas e a criotomografia são dois exemplos da família de métodos de microscopia crioeletrônica (crio-EM) usados para gerar dados estruturais de alta resolução para sistemas biológicos. No crio-EM, as soluções das amostras são congeladas rapidamente para preservar a estrutura natural das amostras e impedir a formação de gelo cristalino. Isto provoca uma suspensão de proteínas individuais orientadas em vários ângulos aleatórios dentro do gelo, que é o que é observado na análise de partículas únicas. As proteínas são então visualizadas usando um microscópio eletrônico de criotransmissão (crio-TEM), criando centenas de projeções 2D da amostra. A combinação dessas projeções pode então criar um modelo 3D de alta resolução da proteína. A resolução atômica é concebível e está se tornando cada vez mais disponível com detectores de elétrons e ferramentas analíticas contemporâneos.
Ao combinar a reconstrução crio-EM e 3D, vários avanços significativos na biologia estrutural foram realizados nos últimos anos. Os avanços de hardware e software têm sido um fator importante no desenvolvimento do crio-EM. O dispositivo de gravação de imagens e o microscópio eletrônico são exemplos de hardware; Técnicas de reconstrução 3D e processamento de dados de imagens são exemplos do software.
A Data Bridge Market Research analisa uma taxa de crescimento no mercado global de microscopia crioeletrônica no período de previsão 2022-2029. O CAGR esperado do mercado global de microscopia crioeletrônica tende a ficar em torno de 8,67% no período de previsão mencionado. O mercado foi avaliado em US$ 725,43 milhões em 2021, e cresceria até US$ 1.410,82 milhões até 2029. O mercado global de microscopia crioeletrônica é segmentado com base no tipo, tipo de produto, componente e aplicação.
Para saber mais sobre o estudo, acesse: https://www.databridgemarketresearch.com/pt/reports/global-cryo-electron-microscopy-market
O conceito em resumo
Está se tornando mais comum o uso da microscopia crioeletrônica (crio-EM) para examinar a arquitetura molecular de conjuntos de proteínas, vírus e organismos. Esta página enfoca vários aspectos da crio-EM, incluindo seus benefícios e desvantagens, aplicações, como ela difere das técnicas EM e estudos recentes utilizando a tecnologia crio-EM. O termo "crio-EM" refere-se a um tipo de imagem eletromagnética (EM) em que amostras sensíveis à radiação são fotografadas usando um microscópio eletrônico de transmissão (TEM) sob configurações criogênicas. O termo "crio-EM" é frequentemente usado para se referir a várias técnicas experimentais, incluindo tomografia crioeletrônica, cristalografia eletrônica e crio-EM de partícula única.
Cada técnica crio-EM pode ser utilizada independentemente ou como parte de abordagens híbridas que combinam dados crio-EM com dados complementares de abordagens de espectroscopia de cristalografia de raios X e ressonância magnética nuclear (NMR). Para imagens de amostras biológicas, incluindo bactérias, células congeladas e seções de tecidos inteiros, os crio-EMs estão se tornando mais amplamente disponíveis e consideravelmente mais simples de operar.
Os investigadores estão actualmente a utilizar o Cryo-EM para auxiliar o seu trabalho sobre o cancro, avançando a disciplina de "oncologia estrutural", que visa empregar a biologia estrutural para combater o cancro. As capacidades analíticas do EM crio-de alta resolução estão preparadas para transformar a forma como os cientistas estudam oncologia, permitindo observação focada, análise e, em última análise, tratamento.
EM e Cryo-EM
Coloração, desidratação e fixação química de amostras são usadas em procedimentos EM tradicionais para produzir a imagem. No EM, a interação da matéria orgânica e dos elétrons prejudica gravemente as amostras biológicas. Em contraste, como a crio-EM não requer técnicas de imagem adicionais, ela preserva o estado hidratado original das amostras. A irradiação de elétrons quebra as ligações químicas das amostras, resultando na produção de radicais livres que danificam ainda mais as amostras. Doses baixas de elétrons produzem imagens ruidosas, embora possam ajudar a conservar as amostras, reduzindo os danos da radiação.
O Cryo-EM pode resolver esse problema de forma eficiente, pois utiliza amostras congeladas que são mantidas em temperaturas de hélio líquido ou nitrogênio líquido para geração de imagens, o que diminui os efeitos prejudiciais da irradiação de elétrons nas amostras. As amostras biológicas são fotografadas em temperaturas de hélio líquido ou nitrogênio líquido após serem rapidamente vitrificadas em uma camada de gelo que lembra vidro. Os danos da radiação diminuem muito à temperatura do nitrogênio, permitindo o emprego de uma dose maior de elétrons para produzir imagens com uma boa relação sinal-ruído. Através da técnica crio-EM, é possível obter reconstruções tridimensionais (3D) de espécimes em nível quase molecular em nitrogênio líquido e hélio. Mas como funciona o crio-EM?
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Congelando- Uma grade é revestida com a amostra, que depois é congelada em etano líquido e mantida em nitrogênio líquido. Deve congelar rápido o suficiente para impedir que qualquer água presente forme cristais de gelo. As redes de gelo provavelmente causarão danos estruturais ao material, absorvendo o feixe de elétrons e obscurecendo a imagem. A água solidifica como um sólido amorfo (gelo vítreo) e não cristaliza se a amostra for congelada com rapidez suficiente.
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Gravação- Com base nas interações da substância com um feixe de elétrons, são capturadas imagens de muitas cópias da molécula (ou outro material, como vírus) suspensas em orientações aleatórias em gelo vitrificado. Imagens com "detectores diretos de elétrons" mais recentes são de qualidade superior àquelas tiradas com câmeras digitais anteriores.
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Processamento de dados- A estrutura da amostra é determinada pela fusão de muitas perspectivas moleculares em um modelo 3D. Às vezes, a média de dezenas de milhares ou mesmo centenas de milhares de imagens de partículas constitui a imagem final, ou mapa de densidade. Centenas de milhares de quadros por segundo são capturados para rastrear o movimento das partículas e evitar perda de resolução.
As primeiras aplicações crio-EM foram limitadas pela necessidade de empregar feixes de elétrons de baixa potência para preservar a amostra, resultando em imagens de baixa resolução. Imagens de alta resolução agora podem ser criadas com menos elétrons graças aos avanços feitos na tecnologia de detector direto de elétrons. O detector direto de elétrons é uma câmera que pode capturar rapidamente fotos de uma única molécula em dezenas de quadros por segundo, tendo uma capacidade aprimorada de detectar elétrons. A criação de melhores técnicas de processamento de imagens também facilitou a revolução na crio-EM. Tais algoritmos são necessários para determinar a orientação da imagem e alinhar as imagens para métodos que reconstroem uma imagem tridimensional a partir de imagens bidimensionais. O aprimoramento tecnológico reduziu o tamanho limite das amostras que podem ser congeladas, permitindo que proteínas individuais sejam analisadas após a geração de imagens.
Vantagens da tecnologia Cryo-EM
A espectroscopia de ressonância magnética nuclear e a cristalografia de raios X foram métodos anteriores de biologia estrutural. Devido à exigência de amostras de tamanhos elevados, essas abordagens tiveram aplicabilidade limitada. Para realizar a cristalografia de raios X, as amostras devem ser cristalizadas, um procedimento desafiador que altera o ambiente para um ambiente não fisiológico.
O Cryo-EM é adequado para imagens de estruturas com resolução quase atômica porque não requer grandes quantidades de amostras ou cristalização. A abordagem também permite que a amostra seja analisada em seu ambiente fisiológico natural, pois não a fixa nem mancha quimicamente. Além disso, as estruturas podem ser congeladas rapidamente em uma variedade de conformações para permitir a inferência de sistemas biológicos sem a restrição de cristais que congelam a amostra em uma posição estática.
O fato de a molécula de interesse não precisar ser cristalizada é uma vantagem significativa da crio-EM sobre a cristalografia de raios X. Algumas proteínas ou macromoléculas importantes simplesmente não podem ser cristalizadas; outros têm suas estruturas irreversivelmente alteradas como resultado da cristalização. Ao contrário da cristalografia de raios X, que só pode determinar uma única estrutura, as proteínas podem ser vistas em todas as suas conformações.
As amostras Cryo-EM, ao contrário da microscopia eletrônica convencional, não são desidratadas ou coradas, portanto sua estrutura permanece próxima da verdadeira forma da estrutura hidratada em seu ambiente nativo, sem formas falsas criadas pela mancha. O congelamento de amostras reduz a quantidade de danos por radiação que podem ocorrer como resultado da irradiação de elétrons. As amostras congeladas também têm menos probabilidade de serem danificadas pelas condições de baixa pressão/vácuo do microscópio eletrônico.
Desvantagens da tecnologia Cryo-EM
As imagens geralmente têm uma relação sinal-ruído muito baixa devido à falta de manchas e, portanto, à falta de contraste, necessitando de hardware de detecção e processamento de imagem altamente avançados.
A preparação da amostra pode ser difícil, pois é necessária para otimizar a espessura do gelo e a distribuição das partículas. Às vezes, as proteínas podem adotar orientações preferidas, impossibilitando a reconstrução 3D.
O equipamento crio-EM mais avançado ainda é proibitivamente caro. A criação de instalações centralizadas pode ajudar a aumentar o acesso a equipamentos crio-EM. O Cryo-EM, por outro lado, é ineficaz para gerar imagens de proteínas muito pequenas e leva muito tempo para gerar imagens de amostra. Além disso, a técnica necessita de uma homogeneidade amostral muito elevada, o que complica a obtenção de imagens de alta resolução de proteínas flexíveis. Além disso, a resolução atual do crio-EM é insuficiente para P&D farmacêutico porque as imagens obtidas por esta técnica apresentam baixa relação sinal-ruído em alguns casos.
Aplicações recentes da tecnologia Cryo-EM
A microscopia crioeletrônica, ou crio-EM, estuda amostras congeladas em temperaturas criogênicas usando elétrons. Tornou-se a técnica preferida para estudar o arranjo estrutural de amostras biológicas nos últimos cinco anos, às vezes alcançando resolução quase atômica.
De acordo com um artigo publicado na Nature no ano passado, os microscópios crioeletrônicos estão "enviando tremores pelo campo da biologia estrutural nos últimos três anos, eles revelaram detalhes requintados de ribossomos produtores de proteínas, proteínas de membrana trêmulas e outras moléculas celulares essenciais, descobertas que os principais periódicos estão publicando rapidamente".
A popularidade do Cryo-EM cresceu a ponto de apenas amostras específicas, como vírus e ribossomos, serem ocasionalmente visualizadas usando cristalografia de raios X. A imagem Cryo-EM agora fornece imagens de resolução atômica de mudanças estruturais na proteína p97. Como a estrutura e as interações desta proteína são críticas para a atividade das células cancerosas, ela é um alvo importante para o desenvolvimento de medicamentos contra o câncer.
O tipo de ligação do inibidor p97 e locais de contato foram observados usando os recursos de imagem do Cryo-advanced EM. Resoluções de 2,3 ngströms foram alcançadas neste estudo, com a unidade ngström igual a 0,1 nanômetros. Com os avanços atuais na tecnologia de detectores e preparação de amostras, o crio-EM pode potencialmente melhorar ainda mais a resolução.
A Data Bridge Market Research analisa que o mercado de diagnóstico de câncer deverá atingir o valor de US$ 28,21 bilhões até o ano de 2029, com um CAGR de 7,29% durante o período de previsão. O aumento dos casos de Câncer oferece oportunidades de crescimento ao mercado. O aumento dos avanços tecnológicos é o fator vital que aumenta o crescimento do mercado, aumentando também as iniciativas empreendidas por governos e organizações globais de saúde para difundir a conscientização sobre o câncer, aumentando o crescimento do número de centros de diagnóstico privados, aumentando as parcerias público-privadas para melhorar a infraestrutura de diagnóstico por imagem. centros, o crescente apoio da FDA para o desenvolvimento de biomarcadores e o crescente lançamento de novos reagentes de citometria de fluxo para diagnóstico e descoberta de medicamentos são os principais fatores, entre outros, que impulsionam o mercado de diagnóstico de câncer.
Para saber mais sobre o estudo, acesse: https://www.databridgemarketresearch.com/pt/reports/global-cancer-diagnostics-market
