Compreender o microambiente tumoral (TME), com suas complexas interações espaciais e dinâmicas, traz uma compreensão mais completa da biologia tumoral. A hipóxia, ou baixos níveis de oxigênio, é o principal componente da TME e desempenha um papel crítico no desenvolvimento de outras condições com risco de vida, incluindo doenças cardiovasculares, distúrbios metabólicos como diabetes e doença renal crônica 1,2,3. A oxigenação tecidual é um fator fundamental, particularmente no contexto do câncer, onde a pressão parcial de oxigênio tecidual (pO2) está correlacionada com a resistência à terapia. Um nível de pO2 superior a 10 mm Hg está associado a um aumento na eficácia da radioterapia de baixa transferência linear de energia (LET) (efeito de aumento de oxigênio).
Estudos recentes usando Ressonância Magnética Eletrônica (EPRI) demonstraram que a radioterapia guiada por oxigênio pode resultar em uma melhora de duas vezes nas taxas de sobrevida em diferentes cânceres em modelos murinos 4,5. Isso é semelhante a indivíduos humanos cujo tumor pO2 foi medido com várias medições de eletrodos Eppendorf e apresentou valores médios ou médios de pO2 abaixo de 10 torr6. Além da radioterapia, a hipóxia tumoral tem sido diretamente correlacionada com a agressividade tumoral e o resultado de outras terapias, como a imunoterapia 7,8. Essa associação ressalta a importância de medições precisas de oxigênio para melhorar os resultados terapêuticos e entender a fisiopatologia das doenças.
A oximetria in vivo ideal requer uma medição direta da pressão parcial de oxigênio do tecido, independente de fatores como perfusão tecidual e saturação de hemoglobina. O procedimento deve ser não invasivo, com um tempo de imagem breve e preciso para evitar possíveis impactos no organismo, como anestesia prolongada, alterações na temperatura do tecido ou alterações significativas na pressão e no pH do tecido. A oximetria tecidual deve apresentar alta precisão e confiabilidade, garantindo medições consistentes, independentemente das variações no microambiente tecidual, incluindo diferenças no pH e no estado redox. Para um planejamento eficaz da terapia, a reconstrução dos dados de imagem em tempo real e a interpretação direta são cruciais. Isso implica não apenas alcançar resolução espacial preferencialmente inferior a 1 mm, mas também permitir uma coleta rápida de dados para monitorar mudanças dinâmicas no estado de oxigênio dos tecidos, como hipóxia cíclica.
Nesse contexto, várias técnicas para medir o oxigênio molecular ou avaliar a hipóxia foram desenvolvidas, cada uma com aplicabilidade e vantagens únicas. O eletrodo de platina, considerado o "padrão ouro" para oximetria de tecidos celulares e animais vivos, oferece medições consistentes por meio de inserção precisa nos tecidos. Outras abordagens, como métodos ópticos usando sondas fluorescentes, fotoacústica, monitoramento dos efeitos da hipóxia por meio da expressão gênica ou proteica ou ensaios cometas, são fáceis de usar, mas são indiretas ou limitadas pelo caminho óptico nos tecidos. Alternativas promissoras para avaliar a hipóxia e / ou oxigenação parecem ser a ressonância magnética (MRI) - OE-MRI10 - ou MOBILE11, tomografia por emissão de pósitrons (PET) com várias sondas sensíveis à hipóxia12 ou ressonância paramagnética eletrônica (EPR).
A EPR tem uma longa história no campo da biomedicina. O fenômeno em si foi relatado pela primeira vez em 1944 e foi amplamente adotado como uma ferramenta para analisar estruturas químicas e, mais recentemente, para sistemas biológicos e materiais com elétrons desemparelhados13. A espectroscopia EPR tem sido usada para estudar a dinâmica e a estrutura de sistemas biológicos, como fotossíntese, metaloproteínas, enzimas radicais e membranas fosfolipídicas 14,15,16. A espectroscopia e a tomografia por ressonância paramagnética eletrônica (EPR) surgiram como métodos não invasivos essenciais para estudar a oxigenação tumoral e o microambiente com resolução espacial de ~ 1 mm, resolução temporal de 1-10 min e resolução pO2 de 1-3 torr 5,17,18.
Os métodos EPR de onda contínua (CW) continuam sendo amplamente utilizados na maioria das aplicações devido à simplicidade de registrar e interpretar espectros. As interações da sonda de rotação de oxigênio funcionam avaliando alterações na intensidade do sinal EPR ou na forma da linha, fornecendo informações sobre os níveis de oxigênio na amostra. CW EPR tem uma vantagem notável na sensibilidade a uma faixa mais ampla de pO2 em comparação com os métodos de pulso. Ao aplicar várias sequências de pulso, informações como tempos de relaxamento do spin-spin do elétron, tempos de relaxamento do spin-rede e interações com spins vizinhos podem ser elucidadas 18,19. Técnicas de EPR de pulso, como recuperação de inversão com leitura de eco de spin de elétrons (IRESE), medem as taxas de relaxamento da rede de spin, evitando o relaxamento do artefato causado pelo relaxamento da sonda de spin-sonda de spin em baixas concentraçõesde oxigênio 19,20. O EPR pode ser usado para monitorar mudanças na concentração de oxigênio com alta resolução temporal e espacial; no entanto, na oximetria em altas concentrações de oxigênio, o EPR de pulso enfrenta limitações devido aos curtos tempos de relaxamento da magnetização transversal medidos com eco de spin de elétrons (ESE). Em última análise, CW e EPR de pulso são complementares, e uma compreensão confiável do sistema de spin requer a aplicação de ambos os métodos.
As técnicas de oximetria EPR dependem da relação linear entre os níveis de oxigênio e a rede de spin, bem como as taxas de relaxamento de spin-spin em solução. Todas as sondas oximétricas são frequentemente divididas em dois tipos: sondas de spin solúveis e particuladas. A escolha da sonda de rotação correta depende da configuração experimental e das informações necessárias 21,22,23. Sondas de spin solúveis, como nitróxidos ou derivados de tritila 24,25 como OX063 e sua forma deuterada OX071, distribuídas por todo o tecido, fornecem informações de todo o volume. Alternativamente, para medição de ponto único e para avaliações prolongadas e recorrentes de oxigênio, sondas de estado sólido como LiPc, LiBuO ou derivados de carbono podem ser usadas (ver Tabela 1)22,23,26.
A ultrassonografia em modo B é amplamente utilizada na clínica para imagens de tecidos moles. A resolução depende da frequência do transdutor usada e, para estudos pré-clínicos, 18 MHz e superior fornecem resolução suficiente no plano e na profundidade da imagem. Uma vantagem adicional da ultrassonografia é a possibilidade de obtenção de imagens da vasculatura funcional usando o modo Power Doppler. Aqui, apresentamos imagens de oxigênio por ressonância paramagnética eletrônica (EPROI) como um método para gerar mapas 3D de oxigênio de tumores em camundongos vivos. A ultrassonografia correspondente permite a referência anatômica necessária para a definição do tumor dentro do EPROI. Várias sessões de imagem são possíveis para cada animal. A última etapa é a análise, incluindo reconstrução da imagem e registro entre as modalidades para obtenção de um histograma pO2 do volume tumoral.