Nuovi trattamenti per le malattie neurologiche come l’epilessia
Il metodo offre un nuovo approccio che modifica il comportamento dei neuroni grazie alla luce
L’optogenetica, l’uso della luce per stimolare o inibire i neuroni, promette da tempo di rivoluzionare lo studio e il trattamento delle condizioni neurologiche causate dalla sovra o sotto eccitabilità dei neuroni. Tuttavia, le attuali tecniche optogenetiche possono modificare l’eccitabilità neuronale solo a breve termine. Una volta spenta la luce, i neuroni tornano al loro comportamento originale.
Ora però la situazione potrebbe ssere cambiata. I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e del MIT hanno sviluppato un nuovo metodo per colpire i neuroni malati del cervello e modificare il loro comportamento a lungo termine utilizzando la luce, aprendo la strada a potenziali nuovi trattamenti per condizioni neurologiche come l’epilessia e l’autismo.
“Prevediamo che questa tecnologia fornirà nuove opportunità per il controllo ad alta risoluzione spazio-temporale dei neuroni per gli studi di neuroscienze e comportamento e per lo sviluppo di nuovi trattamenti per i disturbi neurologici”, ha dichiarato Jia Liu, assistente alla cattedra di Bioingegneria del SEAS e co-autore dello studio.
I recenti progressi nelle nanotecnologie, tra cui la nanoelettronica flessibile e impiantabile sperimentata da Liu e dal suo team, potrebbero potenzialmente alterare il comportamento dei neuroni a lungo termine, ma questi dispositivi devono essere impiantati nel cervello e non possono essere programmati per colpire specifici neuroni coinvolti nelle malattie. L’eccitabilità di un neurone è regolata da due componenti principali: la conduttività dei canali ionici e la capacità della membrana cellulare di immagazzinare una carica elettrica.
La maggior parte delle tecniche optogenetiche ha come obiettivo la conduttività dei canali ionici, modulando l’eccitabilità del neurone attraverso l’apertura o la chiusura di un gruppo specifico di canali. Questo approccio può effettivamente regolare l’eccitabilità del neurone, ma solo in modo transitorio. “Si può immaginare un neurone come un circuito e la membrana cellulare come un materiale dielettrico”, ha detto Liu. “Come in qualsiasi circuito, se si modifica la capacità del materiale – in questo caso la membrana cellulare – si può cambiare l’eccitabilità intrinseca del circuito a lungo termine, passando da un’alta eccitabilità a una bassa eccitabilità o viceversa”.
Per modificare la capacità della membrana cellulare, Liu, in collaborazione con altri ricercatori del MIT, ha utilizzato enzimi sensibili alla luce che possono innescare la formazione di polimeri isolanti o conduttivi sulla superficie delle membrane cellulari. Gli enzimi possono essere ingegnerizzati per colpire le membrane cellulari di specifici neuroni. Una volta che gli enzimi si sono attaccati alla membrana specifica, i ricercatori hanno utilizzato una luce di lunghezza d’onda blu per illuminare i neuroni, innescando la generazione di rivestimenti isolanti o conduttivi sulla membrana in pochi minuti. Hanno dimostrato che i neuroni con rivestimenti polimerici isolanti diventavano più eccitabili e quelli con rivestimenti polimerici conduttivi diventavano meno eccitabili.
I ricercatori hanno scoperto che potevano regolare l’eccitabilità, regolando l’esposizione alla luce: più a lungo i neuroni venivano esposti alla luce, più i rivestimenti diventavano isolanti o conduttivi. Il team di ricerca ha anche dimostrato che i cambiamenti nell’eccitabilità sono durati fino a tre giorni, il tempo necessario per mantenere in vita i neuroni in una piastra di Petri.
In seguito, il team intende testare l’approccio utilizzando tessuto cerebrale animale. “L’obiettivo generale di questo lavoro è quello di consentire approcci innovativi per l’integrazione di materiali, strutture e dispositivi funzionali nei sistemi nervosi viventi con specificità subcellulare e cellulare, che consentiranno la manipolazione precisa delle proprietà elettrochimiche subcellulari, rimodellando l’eccitabilità dei neuroni nei sistemi nervosi viventi”, ha dichiarato Liu.
