Modelos patológicos em 3D: Nova lente para a compreensão das doenças

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O estudo de doenças a todos os níveis, desde as células a sistemas inteiros, é crucial para um diagnóstico preciso e uma investigação médica eficaz. No entanto, as visualizações tradicionais de patologias oferecem apenas uma visão plana e num único plano, o que muitas vezes não permite compreender toda a complexidade dos sistemas biológicos. Neste artigo, exploramos a forma como os modelos de patologia 3D ultrapassam as limitações da imagiologia 2D e impulsionam os avanços no sector dos cuidados de saúde.
O que é um modelo patológico 3D?

Os modelos de patologia 3D são representações médicas avançadas que permitem aos investigadores e profissionais estudar doenças e perturbações em três dimensões. Esta abordagem oferece uma visão mais abrangente e realista em comparação com as imagens 2D tradicionais.
Estes modelos captam a complexidade dos sistemas biológicos, incluindo as relações espaciais entre células, tecidos e estruturas. A perspetiva mais alargada oferece uma visão mais profunda dos mecanismos da doença e dos potenciais tratamentos.
Existem diferentes tipos de modelos de patologia, cada um deles servindo casos de utilização específicos:
Modelos digitais 3D: representações virtuais e tridimensionais de tecidos, órgãos ou sistemas criadas com técnicas avançadas de imagiologia e reconstrução computacional. Estas Modelos de patologia 3D fornecer uma visão pormenorizada dos danos causados pelas doenças.
Uma das principais vantagens destes modelos é a sua versatilidade. Podem ser transformados em vídeos educativos e animações 3D para demonstrar a progressão da doença ou os efeitos do tratamento, ou utilizados em ambientes de RA/RV (embora esta não seja ainda uma prática corrente e exija hardware/software e formação específicos). No entanto, a qualidade de um modelo 3D depende diretamente da resolução dos dados de imagiologia de origem utilizados para a criação do modelo.
VOKA 3D Anatomia e Patologia oferece a experiência mais completa para a exploração de modelos digitais 3D. Os seus modelos anatómicos e patológicos de alta qualidade podem ser facilmente integrados na formação médica, no diagnóstico e no planeamento de tratamentos.Modelos 3D in vitro: culturas cultivadas em laboratório que imitam células e tecidos humanos reais. Os exemplos incluem organoidesestruturas semelhantes a órgãos cultivadas a partir de células estaminais (por exemplo, organóides hepáticos ou organóides cerebrais), e esferóides, aglomerados compactos de células que podem simular tumores ou tecidos afectados.
É importante notar que, embora valiosos, estes modelos são representações simplificadas e podem não reproduzir totalmente o complexo ambiente in vivo, como as interações célula-célula e célula-matriz, a vascularização e as respostas imunitárias. Modelos digitaisPor sua vez, são suficientemente flexíveis para simular uma grande variedade de estruturas, desde órgãos inteiros até células individuais e mesmo componentes subcelulares.Modelos impressos em 3D: réplicas físicas de tecidos e órgãos criadas utilizando a Tecnologia de impressão 3D. Os modelos digitais 3D servem de planos que orientam o processo de impressão. Modelos não biológicos impressos em 3DOs modelos médicos, feitos de materiais como plástico ou resina, são amplamente utilizados na educação médica, na comunicação com os doentes e na investigação. Estes modelos ajudam a explicar anatomias complexas, a simular procedimentos cirúrgicos e a testar dispositivos médicos em ambientes de I&D.
Modelos bioimpressosPor outro lado, utilizam biotintas que contêm células vivas para criar estruturas funcionais semelhantes a tecidos. Estas são utilizadas principalmente na investigação médica avançada para testar a reação a medicamentos, estudar mecanismos de doenças ou explorar a medicina regenerativa. Alguns desafios da bioimpressão 3D incluem a obtenção de alta resolução para microestruturas complexas e a vascularização bem sucedida de tecidos maiores.
Limitações das imagens 2D na visualização de patologias

Embora as imagens 2D tradicionais continuem a ser um padrão de ouro para muitos fins de diagnóstico, particularmente ao nível celular, os casos mais complexos requerem uma maior profundidade dimensional. Seguem-se algumas limitações da abordagem 2D:
Perda de contexto espacial
Uma vez que as imagens 2D oferecem apenas uma visão plana, é difícil ver as verdadeiras relações espaciais entre células, tecidos e órgãos. Em termos de investigação patológica, esta limitação pode obscurecer a forma como as doenças progridem, como as células afectadas interagem ou como as anomalias estruturais influenciam os tecidos circundantes.
Um exemplo vivo desta limitação é o estudo da matriz extracelular (MEC), um componente crítico dos tecidos que fornece suporte físico e bioquímico às células. Em imagens 2D, a MEC parece demasiado simples, o que esconde a sua rede complexa. Uma vez que a MEC influencia processos como a migração celular, a adesão e a reparação de tecidos, a falta destes detalhes espaciais pode limitar a nossa compreensão de doenças como o cancro.
Representação limitada de estruturas complexas
Quando vistas em 2D, as estruturas biológicas como vasos sanguíneos, tumores e redes neuronais perdem a sua verdadeira forma e complexidade. Por exemplo, os tumores crescem frequentemente em padrões imprevisíveis e irregulares à medida que se espalham pelos tecidos próximos e criam ligações complexas com os vasos sanguíneos. Uma única imagem 2D capta apenas um lado desta estrutura. Como tal, uma visão limitada torna difícil compreender totalmente a forma exacta do tumor e a extensão da sua propagação.
Para médicos e investigadores, a avaliação do padrão de crescimento e disseminação de um tumor requer várias imagens 2D, o que é menos eficiente e abrangente do que uma representação 3D.
Simplificação excessiva da heterogeneidade dos tecidos
Os tecidos patológicos são altamente heterogéneos: compreendem diferentes tipos de células, estruturas e microambientes. No entanto, quando analisados através de imagens 2D, esta complexidade é demasiado simplificada. Como resultado, os médicos podem lidar com uma representação imprecisa do comportamento do tecido.
Falando novamente de tumores, estas patologias podem conter regiões com divisão celular ativa, áreas de células mortas e zonas com crescimento denso de vasos sanguíneos. Numa imagem 2D, estas diversas regiões podem ser facilmente ignoradas ou mal interpretadas, uma vez que a imagem completa da heterogeneidade do tumor não é visível. Isto pode afetar a investigação crítica e as decisões clínicas, tais como determinar o grau de agressividade de um tumor ou a sua capacidade de resposta ao tratamento.
Como os modelos patológicos 3D melhoram a compreensão da doença
Os modelos de patologia 3D oferecem aos investigadores e profissionais uma compreensão mais pormenorizada das doenças. Eis como estes modelos estão a mudar a forma como estudamos e compreendemos as patologias:
Melhoria da visualização dos tecidos e órgãos afectados

Os modelos de patologia 3D permitem-nos explorar os sistemas danificados a partir de vários ângulos e camadas. Ao contrário dos métodos 2D tradicionais, oferecem uma imagem completa, o que facilita a compreensão do impacto de várias doenças.
Tomemos como exemplo o estudo das doenças cardiovasculares.
Com modelos digitais 3D, como os do VOKA 3D Anatomy and Pathology, profissionais e estudantes da área de saúde podem visualizar o fluxo sanguíneo através dos vasos e identificar os efeitos de bloqueios. Por exemplo, um modelo 3D de patologia pode demonstrar como uma estenose específica (estreitamento) numa artéria coronária afecta o fluxo sanguíneo para uma determinada região do músculo cardíaco.
Os modelos in vitro podem simular a acumulação de placas, permitindo aos investigadores estudar a dinâmica do seu desenvolvimento e o seu impacto na função do vaso. Especificamente, os investigadores podem observar como as diferentes tensões de cisalhamento no interior do vaso afectam a formação e a estabilidade da placa.
Além disso, a impressão 3D pode criar réplicas físicas de válvulas cardíacas danificadas, que podem ser utilizadas pelos cirurgiões para praticar reparações e planear abordagens cirúrgicas individualizadas.
Estudo simplificado das interações célula-ECM

A matriz extracelular (ECM) não é apenas um suporte estrutural; influencia ativamente o comportamento das células. Compreender as interações célula-ECM é crucial para compreender os mecanismos de reparação de tecidos, a progressão de doenças (como a metástase do cancro) e o desenvolvimento de terapias específicas. Os métodos 2D simplificam demasiado esta dinâmica e dificultam uma investigação eficaz.
Em contrapartida, os modelos patológicos 3D criam ambientes tridimensionais realistas, onde os investigadores podem observar e manipular factores-chave como a rigidez da matriz, a densidade de ligandos e a porosidade. Por exemplo, um modelo 3D de um tumor pode revelar como as alterações na rigidez da ECM influenciam a migração e a invasão das células cancerígenas. Ao reproduzir as condições in vivo, os modelos 3D fornecem uma plataforma mais precisa para estudar estas interações cruciais.
Simulações dinâmicas da dinâmica e do comportamento das doenças
Os modelos 3D podem simular a progressão da doença num ambiente controlado, revelando fases críticas que podem passar despercebidas em imagens estáticas. Os exemplos incluem:
Crescimento tumoral e metástases: os modelos digitais 3D podem ser utilizados para criar Animações 3D de crescimento tumoral, visualizando a forma como as células cancerígenas proliferam, invadem os tecidos circundantes e potencialmente metastizam para locais distantes. Estas simulações podem incluir dados de exames de pacientes para criar modelos personalizados de desenvolvimento de tumores. Os modelos de tumor 3D in vitro podem ser utilizados para estudar os efeitos de diferentes medicamentos ou terapias no crescimento e invasão do tumor em tempo real.
Propagação de doenças infecciosas: Os modelos 3D podem simular a propagação de infecções, mostrando como os agentes patogénicos interagem com os tecidos do hospedeiro e o sistema imunitário. Isto pode ajudar os investigadores a compreender a dinâmica da infeção e a desenvolver estratégias para controlar a sua propagação.
Testes de reação a drogas
Os modelos digitais 3D oferecem uma forma infalível de testar a forma como os medicamentos interagem com os tecidos num ambiente realista.
Podem ser utilizados para criar visualizações da difusão, absorção e resistência dos fármacos nos tecidos. Por exemplo, um modelo 3D do fígado pode ser usado para simular como um medicamento é metabolizado e distribuído pelo órgão.
Os modelos 3D in vitro permitem aos investigadores observar em tempo real as respostas celulares aos medicamentos, tais como os efeitos da quimioterapia nas células cancerígenas ou o impacto de um novo medicamento nos tecidos saudáveis. Estes modelos podem ajudar a otimizar as dosagens e combinações de medicamentos para tratamentos mais seguros e eficazes.
Aplicações reais de modelos patológicos 3D em áreas médicas

Os modelos de patologia 3D têm uma vasta gama de aplicações em todas as áreas médicas, proporcionando novos conhecimentos que antes estavam fora do alcance. Eis alguns exemplos reais de como diferentes tipos de modelos patológicos 3D estão a fazer a diferença:
Doenças oncológicas
Os modelos 3D fizeram avançar significativamente o diagnóstico do cancro. A estudo publicado no JAMA Network Open destaca a utilização de modelos médicos 3D em oncologia, especificamente no planeamento de prostatectomia radical laparoscópica assistida por robô (RALRP) para doentes com cancro da próstata.
Estes modelos digitais foram criados utilizando dados de imagiologia pré-operatória, como a ressonância magnética. Como resultado, os especialistas conseguiram criar representações 3D altamente detalhadas e exactas da próstata, dos tecidos circundantes e do próprio tumor.
Utilizando estes modelos 3D, os cirurgiões puderam visualizar melhor as relações espaciais entre o tumor e as estruturas críticas, como os nervos e os vasos sanguíneos. Os modelos foram ainda disponibilizados através de uma aplicação móvel nos smartphones dos cirurgiões, que estes podiam consultar antes e durante a cirurgia.
Doenças neurológicas
Uma das aplicações mais prometedoras dos modelos 3D é o estudo de patologias como o autismo, a doença de Alzheimer e a doença de Parkinson (DP). De acordo com o Revista de investigação em ciências biomédicasOs organoides cerebrais 3D in vitro podem ser ferramentas inovadoras para a compreensão e o tratamento de doenças neurológicas. Estes organoides foram derivados de células estaminais pluripotentes induzidas (hiPSCs) humanas e concebidos para imitar a estrutura e a função do cérebro humano.
Os modelos in vitro permitiram aos investigadores observar como as anomalias no desenvolvimento do cérebro contribuem para as perturbações neurológicas. Serviram também de plataforma para testar potenciais terapias, permitindo aos cientistas avaliar os efeitos dos medicamentos num ambiente controlado.
Doenças cardiovasculares
Os modelos patológicos 3D são amplamente utilizados no diagnóstico e tratamento de doenças cardiovasculares complexas. Estes modelos são criados utilizando técnicas de imagiologia como a TAC e a RMN, que são depois transformadas em modelos 3D digitais específicos para cada doente e depois impressos. A estudo da Micromachines explica como os modelos 3D forneceram aos cirurgiões uma representação exacta da anatomia do coração do paciente, incluindo defeitos, vasos sanguíneos e anomalias estruturais.
Uma aplicação notável detalhada no estudo é a utilização de modelos cardíacos impressos em 3D para o planeamento de procedimentos como a substituição da válvula aórtica e a reparação de defeitos cardíacos congénitos. Estes modelos permitiram aos cirurgiões visualizar e simular o procedimento antes de entrarem na sala de operações, reduzindo os riscos cirúrgicos e melhorando os resultados. A natureza tátil dos modelos impressos em 3D torna o processo de tratamento mais personalizado.
Doenças infecciosas
Os modelos 3D demonstraram um grande potencial para melhorar a precisão do diagnóstico e os cuidados prestados aos doentes na gestão de doenças infecciosas. De acordo com Relatórios de casos BMJDurante as fases iniciais da pandemia de COVID-19, os médicos utilizaram reconstruções 3D de tomografias computorizadas dos pulmões para compreender melhor a extensão e a distribuição dos danos pulmonares causados pelo vírus. Estes modelos 3D proporcionaram uma visualização detalhada das áreas infectadas, permitindo uma medição precisa da progressão e gravidade da doença, mesmo nos casos em que os métodos de diagnóstico tradicionais, como o RT-PCR, eram inconclusivos.
Os profissionais de saúde puderam adaptar intervenções como a oxigenoterapia ou as definições do ventilador às necessidades específicas de cada doente, visualizando as regiões exactas do pulmão afectadas pela COVID-19. Além disso, os modelos patológicos 3D foram utilizados para a educação e comunicação dos doentes, ajudando-os e às suas famílias a compreender a gravidade da doença e os planos de tratamento propostos.
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Concluir
Os modelos de patologia 3D mudaram a forma como os profissionais médicos estudam, diagnosticam e tratam as doenças. Desde a oncologia às doenças infecciosas, os modelos 3D provaram ser ferramentas versáteis que melhoram a investigação médica e os resultados clínicos.
Soluções inovadoras como o VOKA 3D Anatomy and Pathology continuam esta abordagem, fornecendo modelos de patologia prontos a usar para profissionais médicos e educadores. Além disso, a equipa da VOKA pode desenvolver modelos de patologia 3D personalizados, adaptados às condições de cada paciente, caso necessite de imagens específicas para formação ou comunicação com o paciente. Com ferramentas como estas, as possibilidades de melhorar os cuidados de saúde são infinitas.
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