L'ingegnere biomedico Elisa Konofagou usa ultrasuoni focalizzati per aprire non invasivamente la barriera emato-encefalica per portare farmaci e applicare la terapia genica.
Ultrasuoni focalizzati possono risvegliare il sistema immunitario cerebrale nei topi. (Fonte: Columbia)
L'Ultrasound and Elasticity Imaging Laboratory, guidato dall'ingegnera biomedica prof.ssa Elisa Konofagou, sviluppa nuove tecniche basate su ultrasuoni per scansioni e applicazioni terapeutiche. Il gruppo ha progettato algoritmi in grado di rilevare deformazioni minime nei tessuti a causa della funzione fisiologica, come nel cuore e nei vasi capillari e gli spostamenti indotti dall'onda ultrasonica stessa, come nei tumori e nei nervi.
Usano anche gli ultrasuoni focalizzati per consegnare farmaci al cervello, aprendo in modo non invasivo la barriera emato-encefalica (BBB, brain blood barrier) e per modulare l'attività neurale nel sistema nervoso centrale e periferico. La BBB è uno strato protettivo naturale nel nostro cervello che limita anche la capacità dei farmaci sistemici di raggiungere i loro obiettivi nel cervello, ponendo una sfida alla realizzazione di terapie efficaci per determinate malattie cerebrali.
Il team lavora a stretto contatto con i medici del Centro Medico Irving della Columbia University al New York-Presbyterian Hospital, per portare queste tecnologie alla clinica.
Lavoro sul cervello
L'uso della terapia genica per trattare molte malattie neurologiche, come il morbo di Alzheimer (MA) e il Parkinson, è da tempo un obiettivo richiesto dei ricercatori, ma la barriera emato-encefalica si è rivelata molto difficile da attraversare.
Negli ultimi 4 anni, la Konofagou ha lavorato con Kam Leong, professore di ingegneria biomedica della Columbia, per introdurre vettori di modifica genica, un trasportatore geneticamente progettato per fornire materiale genetico al cervello, usando gli ultrasuoni focalizzati con microbolle per aprire la barriera emato-encefalica.
Il gruppo della Konofagou sta usando la stessa tecnologia anche per tentare di trattare il MA, la malattia neurodegenerativa predominante che si prevede aumenterà drasticamente la sua incidenza nei prossimi 10 anni, con i progressi nel rilevamento precoce e un aumento della popolazione che invecchia e in generale.
La svolta
Il team ha pubblicato di recente 2 studi che mettono in luce importanti progressi nella loro tecnologia.
- Quello pubblicato il 22 agosto in PNAS, dimostra che l'uso di ultrasuoni focalizzati e microbolle somministrate sistematicamente per aprire la BBB non solo consente l'editing del genoma, ma aumenta anche di 20 volte le copie geniche. Questa tecnologia consente di introdurre vettori di editing genico in grado di modificare il genoma delle cellule neuronali e potenzialmente correggere i geni che codificano malattie cerebrali, come il MA, attraverso l'espressione di geni come ApoE4 e ApoE2 e anche per altre rare patologie cerebrali monogeniche.
- L'altro, pubblicato il 4 luglio in Theranostics, dimostra che l'apertura della BBB da sola risveglia il sistema immunitario cerebrale nei topi. Questo scatenante abbassa quindi i carichi di amiloide-beta e tau (le due proteine caratteristiche del MA) migliorando anche la memoria di lavoro. I ricercatori sono riusciti ad applicare questa tecnica a ultrasuoni focalizzati ai pazienti di MA in uno studio clinico e hanno scoperto che c'era anche una modesta riduzione di amiloide-beta nella regione dell'apertura BBB rispetto alla regione cerebrale contralaterale non trattata.
Trattamento promettente del MA
Nel loro insieme, questi due studi mostrano che gli ultrasuoni focalizzati possono facilitare il trattamento del MA migliorando la consegna e l'espressione dell'editing genico o mediante immunomodulazione ad ultrasuoni focalizzati.
Questa nuova tecnica può indurre entrambi i metodi (editing e immunomodulazione) allo stesso tempo e, osserva la Konofagou, "l'effetto sinergico risultante potrebbe rivelarsi fondamentale nel trattamento del MA, specialmente nelle sue prime fasi. Siamo molto entusiasti di questo".
Cosa viene ora
Il gruppo della Konofagou sta ora testando la tecnica di ultrasuoni focalizzata sui pazienti di MA per ridurre il carico sia di tau che di amiloide-beta, nonché per migliorare i deficit di memoria. Stanno anche lavorando con il gruppo di Leong per traslare in clinica la tecnica di modifica genica.
Fonte: Columbia University (> English) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Riferimenti:
- Y-H Lao, [+21], KW Leong. Focused ultrasound–mediated brain genome editing. PNAS, Aug 2023, DOI
- ME Karakatsani, [+8], EE Konofagou. Focused ultrasound mitigates pathology and improves spatial memory in Alzheimer's mice and patients. Theranostics, 2023, DOI
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