Ricerche

Bioingegneri hanno creato un tessuto tridimensionale simile a quello cerebrale che funziona come (e ha caratteristiche strutturali simili) al tessuto nel cervello di ratto e può essere tenuto in vita in laboratorio per più di due mesi.

Come prima dimostrazione del suo potenziale, i ricercatori hanno usato il tessuto di tipo cerebrale per studiare i cambiamenti chimici ed elettrici che avvengono immediatamente dopo i traumi cerebrali e, in un esperimento separato, i cambiamenti che accadono in risposta ad un farmaco.

Il tessuto potrebbe fornire un modello superiore per lo studio della funzione cerebrale normale, così come di lesioni e malattie, e potrebbe contribuire allo sviluppo di nuovi trattamenti per le disfunzioni cerebrali, come la demenza.

Il tessuto di tipo cerebrale è stato sviluppato al Tissue Engineering Resource Center della Tufts University di Boston, che è finanziato dal National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) per creare biomateriali innovativi e modelli di ingegneria dei tessuti. David Kaplan, PhD, professore «Stern Family» di Ingegneria alla Tufts University è direttore del centro e ha guidato la ricerca per sviluppare il tessuto.

Finora gli scienziati avevano sviluppato i neuroni in capsule di Petri per studiare il loro comportamento in un ambiente controllabile. Però i neuroni coltivati ​​in due dimensioni non sono in grado di replicare la complessa organizzazione strutturale del tessuto cerebrale, che consiste in aree separate di materia grigia e bianca. Nel cervello la materia grigia è composta principalmente dai corpi cellulari dei neuroni, mentre la sostanza bianca è costituita da fasci di assoni, che sono le proiezioni che i neuroni inviano per collegarsi tra loro. Poiché le lesioni e le malattie cerebrali colpiscono spesso queste aree in modo diverso, sono necessari modelli che compartimentano le sostanze grigia e bianca.

Recentemente gli ingegneri dei tessuti hanno tentato di far crescere neuroni in ambienti gel 3D, dove possono stabilire liberamente dei collegamenti in tutte le direzioni. Però questi modelli di tessuto a base di gel non vivono a lungo e non riescono a produrre una funzione robusta al livello di quella dei tessuti. Questo accade perché l'ambiente extracellulare è una matrice complessa in cui i segnali locali stabiliscono diversi vicinati che favoriscono la crescita e/o lo sviluppo e la funzione di cellule distinte. Dare semplicemente lo spazio perchè i neuroni crescano in tre dimensioni non è sufficiente.

Nell'edizione anticipata on line dell'11 agosto dei Proceedings of the National Academy of Sciences, un gruppo di bioingegneri rifierisce ora di aver creato con successo un tessuto di tipo cerebrale in 3D funzionale che presenta una compartimentazione della materia grigia e bianca e può sopravvivere in laboratorio per più di due mesi. "Questo lavoro è un'impresa eccezionale", ha detto Rosemarie Hunziker, PhD, direttrice del programma di Ingegneria dei Tessuti al NIBIB. "Esso combina una profonda comprensione della fisiologia del cervello con una grande e crescente gamma di strumenti di bioingegneria per creare un ambiente che è necessario e sufficiente per imitare la funzione del cervello".

La chiave per generare il tessuto di tipo cerebrale era la creazione di una struttura composita innovativa che consiste di due biomateriali con proprietà fisiche diverse: una impalcatura spugnosa fatta di proteine ​​della seta e un gel morbido a base di collagene. La struttura permette ai neuroni di ancorarsi, e il gel incoraggia gli assoni a crescere attraverso di essa.

Per acquisire una compartimentazione delle materie grigia e bianca, i ricercatori hanno tagliato la struttura spugnosa in forma di ciambella e l'hanno popolata con i neuroni di ratto. Hanno poi riempito il centro della ciambella con il gel a base di collagene, che successivamente ha permeato la struttura.

In pochi giorni, i neuroni hanno formato delle reti funzionali intorno ai pori della scaffalatura, e hanno inviato lunghe proiezioni assonali attraverso il gel nel centro, per connettersi ai neuroni sul lato opposto della ciambella. Il risultato era una regione di sostanza bianca distinta (contenente per lo più proiezioni cellulari, gli assoni) formata nel centro della ciambella, che era separata dalla materia grigia circostante (dove erano concentrati i corpi cellulari).

Nel corso di diverse settimane, i ricercatori hanno condotto esperimenti per determinare la salute e la funzionalità dei neuroni che crescevano nel loro tessuto di tipo cerebrale 3D e li hanno confrontati con i neuroni cresciuti in un ambiente solo di gel collagene o in un piatto 2D. I ricercatori hanno scoperto che i neuroni nei tessuti di tipo cerebrale 3D hanno avuto una maggiore espressione dei geni coinvolti nella crescita e nella funzione dei neuroni.

Inoltre, i neuroni coltivati ​​nel tessuto cerebrale 3D hanno mantenuto un'attività metabolica stabile fino a cinque settimane, mentre la salute dei neuroni coltivati ​​in ambiente di solo gel hanno cominciato a deteriorarsi in 24 ore. Per quanto riguarda la funzione, i neuroni nel tessuto cerebrale 3D hanno evidenziato un'attività elettrica e una risposta che imitano i segnali osservati nel cervello integro, compreso uno schema tipico di risposta elettrofisiologica ad una neurotossina.

Poiché il tessuto di tipo cerebrale 3D mostra le proprietà fisiche simili al tessuto cerebrale dei roditori, i ricercatori hanno cercato di determinare se potevano usarlo per studiare delle lesioni cerebrali traumatiche. Per simulare una lesione cerebrale traumatica, è stato lasciato cadere un peso sul tessuto cerebrale da diverse altezze.

I ricercatori hanno poi registrato le variazioni nell'attività elettrica e chimica dei neuroni, che si è rivelata simile a quella che viene di solito osservata negli studi animali di lesioni cerebrali traumatiche.

Kaplan dice che la capacità di studiare una lesione traumatica in un modello di tessuto offre vantaggi rispetto agli studi su animali, in cui le misure sono ritardate durante il sezionamento e la preparazione del cervello per gli esperimenti. "Con il sistema che abbiamo, si può essenzialmente monitorare la risposta dei tessuti al trauma cranico in tempo reale", ha detto Kaplan. "Ancora più importante, si può anche iniziare a seguire la riparazione e ciò che accade su periodi di tempo più lunghi".

Kaplan ha sottolineato l'importanza della longevità del tessuto cerebrale per lo studio di altri disturbi cerebrali. "Il fatto che possiamo mantenere questo tessuto per mesi in laboratorio significa che possiamo cominciare a guardare alle malattie neurologiche in modi non possibili altrimenti, perché c'è bisogno di lunghi tempi di studiare alcune delle principali malattie del cervello", ha detto.

La Hunziker ha aggiunto che "i buoni modelli consentono ipotesi solide che possono essere testate con cura. La speranza è che l'uso di questo modello possa portare ad una accelerazione delle terapie per le disfunzioni cerebrali e offrire un modo migliore per studiare la normale fisiologia del cervello".

Kaplan e il suo team stanno ora cercando di rendere il loro modello più simile possibile al tessuto cerebrale. In questo recente rapporto, i ricercatori hanno dimostrato che possono modificare l'impalcatura a ciambella in modo che consista di sei anelli concentrici, ciascuno in grado di essere popolato con diversi tipi di neuroni. Tale soluzione potrebbe imitare i sei strati della corteccia cerebrale umana, in cui esistono diversi tipi di neuroni.

Nell'ambito del contratto di finanziamento per il Tissue Engineering Resource Center, il NIBIB richiede che le nuove tecnologie generate al centro siano condivise con la comunità di ricerca biomedica allargata. "Siamo ansiosi di costruire collaborazioni con altri laboratori che vogliono partire da questo modello di tessuto", ha detto Kaplan.

Il lavoro è stato finanziato dal National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering.

Fonte:  NIBIB  (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti:  Min D. Tang-Schomer, James D. White, Lee W. Tien, L. Ian Schmitt, Thomas M. Valentin, Daniel J. Graziano, Amy M. Hopkins, Fiorenzo G. Omenetto, Philip G. Haydon, and David L. Kaplan. Bioengineered functional brain-like cortical tissue. PNAS, August 11, 2014 DOI: 10.1073/pnas.1324214111

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