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- Posted By: Capuano Edoardo
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Una nuova tecnologia promette di aumentare la comprensione di come può sviluppare il cervello e offrire risposte sulla sua riparazione a seguito di un neurotrauma e una neurodegenerazione.
I dispositivi tridimensionali (3-D) di cellule neurali, costruiti in scala submillimetrica, noti come sferoidi corticali, detengono un'importanza in rapida crescita nella ricerca biologica perché questi sistemi riproducono caratteristiche complesse del cervello in vitro. Nonostante il loro grande potenziale per gli studi dello sviluppo neurologico e della modellazione di malattie neurologiche, gli oggetti viventi 3-D non possono essere studiati facilmente utilizzando approcci convenzionali a neuromodulazione, rilevamento e manipolazione.
Un team di scienziati, guidati dai ricercatori di Shirley Ryan Areaslab, Northwestern University e l'University of Illinois di Chicago, ha sviluppato una nuova promettente tecnologia con lo scopo di aumentare la comprensione su come sviluppare il cervello e offrire risposte sulla riparazione dei cervelli sulla scia delle malattie neurotrauma e neurodegenerative.
La loro ricerca è la prima a combinare i più sofisticati sistemi bioelettroni 3-D con culture neurali umane 3-D altamente avanzate - l'obiettivo di consentire studi precisi su come i circuiti cerebrali umani si sviluppano e si riparano in vitro. Lo studio è la cover story è stato pubblicato su Science Advances. (1) Il lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health Research Project Grant (R01) condiviso da Colin Franz, (2) MD, PhD, di Shirley Ryan Areaslab, John Rogers, (3) PhD e Yonggang Huang, (4) PhD, di Northwestern University, e John Finan, (5) PhD, dell'University of Illinois a Chicago. È stato anche sostenuto da un generoso regalo filantropico della famiglia della Belle Carnell, che ha stabilito un fondo di neuroriabilitazione rigenerativa per la medicina di precisione nel laboratorio del Dr. Colin Franz.
Gli sferoidi corticali utilizzati nello studio, simile a “mini-cervelli”, derivano dalle cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo. Sfruttando un sistema di interfaccia neurale 3-D, che il team ha sviluppato, gli scienziati sono stati in grado di creare un “mini laboratorio in un contenitore” specificamente su misura per studiare i mini-cervelli e raccogliere simultaneamente diversi tipi di dati.
Gli scienziati hanno incorporato gli elettrodi per registrare l'attività elettrica. Hanno aggiunto minuscoli elementi di riscaldamento per mantenere calde le culture cerebrali o, in alcuni casi, le hanno volutamente surriscaldate. Inoltre, hanno incorporato piccole sonde - come sensori di ossigeno e piccole luci a LED - per eseguire esperimenti optogenetici. Ad esempio, hanno introdotto i geni nelle celle che hanno permesso loro di controllare l'attività neurale utilizzando diversi impulsi luminosi colorati.
Questa piattaforma ha quindi permesso agli scienziati di svolgere studi complessi di tessuto umano senza coinvolgere direttamente gli umani o eseguire test invasivi. In teoria, qualsiasi persona potrebbe donare un numero limitato delle loro cellule (ad esempio, campione di sangue, biopsia della pelle). Gli scienziati possono quindi riprogrammare queste cellule per produrre un minuscolo sferoide cerebrale che condivide l'identità genetica della persona. Gli autori credono che, combinando questa tecnologia con un approccio di medicina personalizzato utilizzando culture cerebrali derivate dalle cellule staminali umane, saranno in grado di scorrere le intuizioni più veloci e generare migliori e nuovi interventi.
Il dottor Yoonseok Park, PhD, borsista post-dottorato presso la Northwestern University e co-autore leader, ha aggiunto: «Questo è solo l'inizio di una classe completamente nuova di sistemi bioelettronici miniaturizzati 3-D che possiamo costruire per espandere la capacità del campo di medicina rigenerativa. Ad esempio, la nostra prossima generazione del dispositivo supporterà la formazione di circuiti neurali ancora più complessi dal cervello al muscolo e ai tessuti sempre più dinamici come un cuore».
Gli attuali array di elettrodi per le culture del tessuto sono 2-D, piatti e incapaci di abbinare i complessi disegni strutturali individuati in tutta la natura, come quelli trovati nel cervello umano. Inoltre, anche quando un sistema è 3-D, è estremamente impegnativo incorporare più di un tipo di materiale in una piccola struttura 3-D. Con questo anticipo, tuttavia, un'intera classe di dispositivi bioelettronici 3-D è stata adattata per il campo della medicina rigenerativa.
Il dottor John Rogers della Northwestern University che ha guidato lo sviluppo del progetto utilizzando la tecnologia simile a quella trovata in telefoni e computer, dice: «Ora, con la nostra piccola e morbida elettronica 3-D, la capacità di costruire dispositivi che imitano le complesse forme biologiche trovate nel corpo umano è finalmente possibile, fornendo una comprensione molto più olistica di una cultura. Non dobbiamo più compromettere la funzione per ottenere la forma ottimale per l'interfacciamento con la nostra biologia».
Come passo successivo, gli scienziati useranno i dispositivi per comprendere meglio la malattia neurologica, i farmaci per testare le terapie che hanno un potenziale clinico e confrontare diversi modelli di celle derivate dal paziente. Questo protocollo consentirà quindi una migliore comprensione delle differenze individuali che possono spiegare l'ampia variazione dei risultati visti nella riabilitazione neurologica.
«Come scienziati, il nostro obiettivo è quello di rendere la ricerca di laboratorio il più clinicamente rilevante possibile», ha affermato Kristen Cotton, Assistente di ricerca nel Dr. Franz's Lab. «Questa piattaforma 3-D apre la porta a nuovi esperimenti, scoperta e progressi scientifici nella medicina neuroreabilitazione rigenerativa che non sono mai stati possibili».
Riferimenti:
(2) Colin Franz
(3) John Rogers
(4) Yonggang Huang
(5) John Finan
Descrizione foto: Interfacce neurali multifunzionali tridimensionali per sferoidi corticali e assembli ingegnerizzati. - Credit: Science Advances.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tiny Machine Poised to Unlock Brain’s Mysteries