Ricerche

Il concetto micro-TENN. Schema concettuale di rete neurale da ingegneria micro-tessutale (micro-TENN, a sinistra) con una popolazione distinta di neuroni a una estremità, che estende delle proiezioni assonali unidirezionali a lunga distanza. I Micro-TENN possono essere usati per riparare i lunghi percorsi assonali, raffigurati nella trattografia ricreata dei percorsi principali del cervello (percorso nigrostriatale in rosso, con tratti assonali nativi in viola). I costrutti Micro-TENN emulano i lunghi percorsi assonali con gruppi neuronali alla/e estremità per consentire l'integrazione con i neuroni nativi su obiettivi superficiali e profondi (a destra, inserti).Le reti neurali sviluppate in laboratorio hanno la capacità di sostituire le tracce assonali perse nel cervello dei pazienti con gravi ferite alla testa, con ictus o con malattie neurodegenerative e possono essere introdotte in tutta sicurezza e con una minima distruzione di tessuto cerebrale, secondo una nuova ricerca della University of Pennsylvania pubblicata sul Journal of Neural Engineering.

Le funzioni complesse del cervello derivano dall'attività di popolazioni di neuroni (centri di elaborazione distinti) collegati da lunghe proiezioni fibrose chiamate assoni.

Quando questi collegamenti sono danneggiati da lesioni o da malattie come il Parkinson o l'Alzheimer, a differenza di molte altre cellule del corpo, hanno una capacità molto limitata di rigenerarsi, interrompendo quindi permanentemente la struttura di trasmissione del segnale e la comunicazione del corpo.

L'autore senior D. Kacy Cullen PhD, assistente professore di Neurochirurgia, e il suo team, hanno lavorato per far crescere delle connessioni sostitutive, chiamate «reti neurali da ingegneria micro-tessutale» (micro-TENN: micro-Tissue Engineered Neural Network) in laboratorio e hanno testato la loro capacità di 'innestarsi' per sostituire percorsi assonali interrotti quando sono impiantate nel cervello.

Il team di Cullen ha fatto progredire le micro-TENN che consistono di popolazioni distinte di neuroni corticali cerebrali maturi attraversati da lunghe proiezioni assonali all'interno di strutture simili a capelli in miniatura. Questi micro-TENN, sviluppati inizialmente in collaborazione con Doug Smith MD e Robert A. Groff (Professore di Didattica e Ricerca in Neurochirurgia e direttore del Center for Brain Injury and Repair), sono le prime reti neurali trapiantabili che imitano la struttura dei percorsi cerebrali in miniatura.

In una precedente ricerca pubblicata nel 2015 su Tissue Engineering, Cullen e colleghi avevano dimostrato che i micro-TENN preformati possono essere introdotti nel cervello dei ratti formando una nuova architettura del cervello che sostituisce allo stesso tempo i neuroni e le lunghe proiezioni assonali. "I micro-TENN formano connessioni sinaptiche alle reti neurali esistenti nella corteccia cerebrale e nel talamo (coinvolto nella elaborazione sensoriale e motoria) e mantengono la loro architettura assonale per diverse settimane, emulando strutturalmente le connessioni assonali a lunga distanza", ha detto Cullen.

Questo lavoro è il primo che dimostra che micro-TENN viventi potrebbero integrarsi con successo nelle strutture cerebrali esistenti e ricostruire percorsi cerebrali mancanti, ma il team ammette la necessità di migliorare il modo in cui sono introdotti nel cervello, in quanto questo studio iniziale ha richiesto che i micro-TENN fossero inviati con aghi.

Come soluzione, il team di ricerca ha sviluppato un nuovo metodo di trasporto meno invasivo, mediante l'applicazione di un rivestimento ultra-sottile alle micro-TENN con un gel che si trova comunemente negli alimenti e nei prodotti biomedicali. Questa nuova strategia con biomateriali permette l'incapsulamento di reti neurali ingegnerizzate completamente formate per essere inserite nel cervello senza l'uso di un ago.

"Abbiamo cercato materiali che potessero costituire un guscio duro che si ammorbidisce immediatamente dopo l'inserimento, per corrispondere meglio alle proprietà meccaniche del tessuto cerebrale nativo", ha detto Cullen. Questo, secondo il team, dovrebbe ridurre al minimo la reazione del corpo e migliorare la sopravvivenza e l'integrazione delle reti neurali.

Il rivestimento aggiuntivo non è stato dannoso per il numero di neuroni sopravvissuti, e il metodo senza ago riduce sostanzialmente l'impronta dell'impianto, suggerendo che dovrebbe causare meno danni e fornire un ambiente più ospitale per i neuroni impiantati da integrare con il sistema nervoso esistente del cervello. "Sono necessarie ulteriori ricerche per testare direttamente la sopravvivenza dei neuroni micro-TENN e l'integrazione per ciascuno di questi metodi di inserimento", ha detto Cullen.

Cullen e il suo team hanno in programma di perfezionare i loro processi e integrare ulteriormente neuroscienze e ingegneria per trovare i modi unici di aiutare i pazienti affetti da lesioni cerebrali o dalle malattie neurodegenerative più comuni come il Parkinson e l'Alzheimer. "Ci auguriamo che questa strategia di medicina rigenerativa un giorno ci permetta di far crescere reti neurali individualizzate, fatte su misura per le esigenze specifiche di ogni paziente", ha detto, "e in ultima analisi, sostituire i circuiti neurali perduti e migliorare la funzione del cervello".

*****
Il finanziamento dello studio è stato fornito dalla National Science Foundation, dai NIH e dal Department of Veterans Affairs. L'Università della Pennsylvania ha la proprietà intellettuale su questa tecnologia, e il dottor Cullen è un inventore.