Gli scienziati possono manipolare le cellule cerebrali con uno smartphone

Come la neurofarmacologia in vivo può aiutare nella gestione delle malattie neuropsichiatriche

La neurofarmacologia in vivo e la stimolazione optogenetica offrono la possibilità di decodificare i circuiti neurali e sviluppare nuove strategie terapeutiche per i disturbi psichiatrici e le malattie neurodegenerative. Al riguardo la ricerca dell’Università del Colorado si è focalizzata sui nuovi dispositivi neurali che possono essere controllati grazie ad uno smartphone e migliorare le modalità di trattamento farmacologico.

Il futuro della neurofarmacologia é nei nuovi dispositivi wireless

La manipolazione farmacologica dei circuiti cerebrali in vivo é sicuramente uno dei metodi più utilizzati per conoscere la funzione neurale. Permette infatti di scoprire non solo i meccanismi neurochimici ma anche la loro funzione nelle malattie neurodegenerative.

L’infusione locale di farmaci nell’arco del tempo offre un mezzo efficace per lo sviluppo ed il locale di nuovi composti neurofarmacologici. Al riguardo le recenti ricerche di optogenetica applicate alla farmacologia hanno permesso di avere maggiore controllo sulle popolazioni di cellule neuronali (Felix-Ortiz et al., 2013) anche grazie all’utilizzo delle tecniche wireless.

La necessità di identificare nuove metodologie di infusione ha permesso di ridurre l’impianto di cannule metalliche nel cervello responsabili di danni ed infiammazioni del tessuto cerebrale (McCall et al., 2017; Sim et al., 2017). Il controllo wireless infatti ha numerosi vantaggi perché:

• permette al soggetto di muoversi liberamente
• é un approccio stabile e biocompatibile
• mitiga gli eventuali danni al tessuto neurale
• realizza il pieno potenziale dell’optogenetica e della farmacologia (Park et al., 2017).

I nuovi dispositivi infatti superano i limiti delle tecnologie tradizionali in quanto:

• integrano cartucce di farmaci sostituibili grazie alla funzione “plug-n-play”
• utilizzano una sonda che può fornire indipendentemente quattro farmaci distinti
• sfrutta due diverse lunghezze d’onda della luce per colpire aree profonde del cervello
• hanno un’efficace selettività del target.

Il design intuitivo e con effetti stabili nel tempo consente un controllo neuronale a lungo termine e un accesso optogenetico alla stessa regione target con un unico intervento chirurgico.

Ma come si é arrivati allo sviluppo di questi dispositivi all’avanguardia?

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I dispositivi neurali wireless segnano un passo avanti nella cura delle malattie neurodegenerative

Per approfondire le funzionalità dei dispositivi controllati da smartphone gli studiosi del team guidato da Raza Qazi, ricercatore del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) e dell'Università del Colorado Boulder, hanno utilizzato impianti neurali optofluidici “plug-n-play”.

La loro ricerca segna una svolta importante nella scoperta di malattie come:

• il Parkinson,
• l'Alzheimer,
• la dipendenza,
• la depressione
• il dolore cronico.

La tecnologia wireless segna una svolta nel trattamento neurofarmacologico perché supera la sfida dell’esaurimento e dell’evaporazione dei farmaci.

Al riguardo Raza Qazi ha affermato:

“Il dispositivo neurale wireless consente la neuromodulazione cronica chimica e ottica che non è mai stata raggiunta prima”.

Utilizzando il modello animale le cartucce di farmaco “plug-n-play” sono state assemblate in un impianto cerebrale con una sonda morbida e ultrasottile. Il dispositivo consisteva in canali microfluidici e piccoli LED per la somministrazione illimitata e graduale di farmaco.

Il controllo del rilascio può essere programmato da un’app dello smartphone e permette una selettività precisa all’interno di grandi coorti di animali (Park et al., 2017).

Qualsiasi smartphone in commercio può quindi diventare un trasmettitore wireless perché:

• non è necessario avere specifici sistemi elettronici di trasmissione (Jeong et al., 2015)
• elimina apparecchiature di controllo ingombranti
• non vi è l’obbligo di manipolare il contesto naturale del soggetto.

A differenza delle alternative commerciali offre infatti maggior libertà comportamentale dell’animale e le cartucce sono più facilmente sostituibili.

Le pompe tradizionali infatti richiedono un processo ingombrante per la pulizia e la sostituzione del farmaco e la loro batteria ha una durata limitata di 1-8 settimane. Il dispositivo wireless implementato dall’Università del Colorado invece ha dimensioni e peso ridotti consentendo una manipolazione neurale più efficace.

I ricercatori infatti possono impostare studi sugli animali in maniera più automatizzata ed evitare che il loro comportamento possa influenzare in qualsiasi modo quello degli altri animali. Il limite più importante é dato tuttavia dal montaggio frontale dell’impianto e dalla difficoltà nel controllare l’erogazione di un’alta quantità di farmaco in un’unica soluzione.

Jae-Woong Jeong, professore di ingegneria elettrica presso il KAIST, ha aggiunto:

"Questo dispositivo rivoluzionario è il frutto del design elettronico avanzato e della potente ingegneria su micro e nanoscala. Per questo siamo interessati a sviluppare ulteriormente questa tecnologia per realizzare un impianto cerebrale per applicazioni cliniche".

I dispositivi wireless infatti permettono di sezionare meglio la funzione del circuito neurale e quella dei neuromodulatori coinvolti in specifici comportamenti.

Applicazioni future dei modelli optogenetici

Il campo dell’optogenetica é in costante crescita e ogni strumento apre una nuova sfida per l’implementazione in modelli animali. Differenze fisiologiche tra coltura cellulare e cervello intatto (Belle et al., 2018) sono il motivo per cui promotori e vettori ottimizzati per i neuroni in coltura non sempre adatti per le applicazioni in vivo.

Esistono tuttavia forti spinte per l’uso degli strumenti optogenetici negli studi clinici soprattutto nei pazienti non vedenti. Esperimenti sul ripristino della sensibilità alla luce delle retine umane ex vivo sono già stati effettuati da Roska et al. (2018). Altri studi promettenti riguardano il trattamento della perdita dell’udito (Wrobel et al., 2018), del diabete (Shao et al., 2017) e del cancro (Xu et al. 2014).

In conclusione la ricerca ha dimostrato che con un solo impianto chirurgico é possibile avere l’accesso multimodale ad un circuito neurale target in una serie di test sperimentali. Gli studi scientifici futuri potrebbero focalizzarsi sul potenziale della metodologia wireless per aprire nuove strade e comprendere i meccanismi alla base di malattie neurodegenerative, disturbi dell’umore e altre patologie. La capacità di fornire vettori virali e agenti farmacologici per lunghi periodi di tempo consente inoltre di ampliare l’offerta per trattamenti cronici più efficaci.

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Fonti:

Felix-Ortiz, A. C. et al.,  BLA to vHPC inputs modulate anxiety-related behaviors. Neuron 79, 658–664 (2013).

Park, S. et al. One-step optogenetics with multifunctional flexible polymer fibers. Nat. Neurosci. 20, 612–619 (2017).

University of Washington Health Sciences/UW Medicine. "Scientists can now manipulate brain cells using smartphone." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 August 2019.