Ricerche

I ricercatori possono ora osservare in tempo reale come l'ossigeno si muove nel cervello dei topi. Ciò potrebbe fornire approfondimenti su malattie come Alzheimer, ictus e infarto.

Il cervello umano consuma grandi quantità di energia, che è generata quasi esclusivamente da una forma di metabolismo che richiede ossigeno. Di conseguenza, l'allocazione e la fornitura efficienti e tempestive dell'ossigeno sono fondamentali per una sana funzione cerebrale, ma la meccanica precisa di questo processo è ancora in gran parte ignota per gli scienziati.

Una nuova tecnica di scansione a bioluminescenza, descritta su Science, crea immagini molto dettagliate e visivamente sorprendenti del movimento dell'ossigeno nel cervello dei topi.

Il metodo, che può essere facilmente replicato da altri laboratori, consentirà ai ricercatori di studiare con più precisione forme di ipossia, come la negazione di ossigeno a parti del cervello che si verifica durante un ictus o un infarto. Sta già fornendo informazioni sul perché uno stile di vita sedentario aumenta il rischio di malattie come il morbo di Alzheimer (MA).

"Questa ricerca dimostra che possiamo monitorare i cambiamenti nella concentrazione di ossigeno in continuo e in una vasta area del cervello", afferma Maiken Nedergaard, condirettore del Center for Translational Neuromedicine, di base all'Università di Rochester e all'Università di Copenaghen. "Questo ci dà un quadro più dettagliato di ciò che sta accadendo nel cervello in tempo reale, permettendoci di identificare aree precedentemente non rilevate di ipossia temporanea, che riflettono i cambiamenti nel flusso sanguigno che possono innescare deficit neurologici".

Lucciole e scienza serendipita

Il nuovo metodo impiega proteine luminescenti, cugine chimiche delle proteine bioluminescenti presenti nelle lucciole. Queste proteine, che sono state usate nella ricerca sul cancro, impiegano un virus che fornisce istruzioni alle cellule per produrre una proteina luminescente sotto forma di enzima. Quando l'enzima incontra il suo substrato chiamato furimazina, la reazione chimica genera luce.

Come molte altre importanti scoperte scientifiche, si è arrivati per caso a impiegare questo processo per visualizzare l'ossigeno nel cervello. Felix Beinlich, assistente professore al Center for Translational Neuroscience dell'Università di Copenaghen, aveva originariamente previsto di usare le proteine luminescenti per misurare l'attività del calcio nel cervello. È diventato chiaro che c'è stato un errore nella produzione di proteine, causando un ritardo di mesi nella ricerca.

Mentre Felix Beinlich aspettava un nuovo lotto dal produttore, ha deciso di andare avanti con gli esperimenti per testare e ottimizzare i sistemi di monitoraggio. Ha usato il virus per dare istruzioni per produrre enzimi agli astrociti, cellule di supporto onnipresenti nel cervello che mantengono la salute e le funzioni di segnalazione dei neuroni e il substrato è stato iniettato direttamente nel cervello.

Le registrazioni hanno rivelato l'attività, identificata da un'intensità fluttuante di bioluminescenza, una cosa che, come i ricercatori sospettavano e in seguito avrebbero confermato, rifletteva la presenza e la concentrazione di ossigeno. "La reazione chimica in questo caso dipendeva dall'ossigeno, quindi quando c'è l'enzima, il substrato e l'ossigeno, il sistema inizia a brillare", afferma Felix Beinlich.

Mentre le tecniche di monitoraggio dell'ossigeno esistenti forniscono informazioni su una piccola area del cervello, i ricercatori hanno osservato, in tempo reale, l'intera corteccia dei topi. L'intensità della bioluminescenza corrispondeva alla concentrazione di ossigeno, che i ricercatori hanno dimostrato cambiando la quantità di ossigeno nell'aria che gli animali stavano respirando.

I cambiamenti nell'intensità della luce corrispondevano anche all'elaborazione sensoriale. Ad esempio, quando i baffi dei topi venivano stimolati con un soffio d'aria, i ricercatori potevano vedere illuminarsi la regione sensoriale corrispondente del cervello.

Le 'tasche ipossiche' potrebbero indicare il rischio di Alzheimer

Il cervello non può sopravvivere a lungo senza ossigeno, un concetto dimostrato dal danno neurologico che segue rapidamente un ictus o un infarto. Ma cosa succede quando a piccole parti del cervello viene negato l'ossigeno per brevi periodi?

I ricercatori non si ponevano nemmeno questa domanda fino a quando il team del laboratorio di Nedergaard non ha iniziato a guardare da vicino le nuove registrazioni. Durante il monitoraggio dei topi, i ricercatori hanno osservato che piccole aree specifiche del cervello diventavano scure a intermittenza, a volte per diversi secondi, indicando l'interruzione dell'apporto di ossigeno.

L'ossigeno si diffonde in tutto il cervello attraverso una vasta rete di arterie e capillari più piccoli - o microvasi - che permeano il tessuto cerebrale. Attraverso una serie di esperimenti, i ricercatori sono riusciti a determinare che l'ossigeno veniva negato a causa dello stallo capillare, che si verifica quando i globuli bianchi bloccano temporaneamente i microvasi e impediscono il passaggio dell'ossigeno che trasporta globuli rossi.

Queste aree, che i ricercatori hanno chiamato 'tasche ipossiche', erano più diffuse nel cervello dei topi durante uno stato di riposo, rispetto a quando gli animali erano attivi. Si ritiene che lo stallo capillare aumenti con l'età ed è stato osservato in modelli di MA.

"La porta è aperta allo studio di una serie di malattie associate all'ipossia nel cervello, come l'Alzheimer, la demenza vascolare e il long-Covid, e come stile di vita sedentario, invecchiamento, ipertensione e altri fattori contribuiscono a queste malattie", afferma Maiken Nedergaard. "E costituisce anche uno strumento per testare diversi farmaci e tipi di esercizio che migliorano la salute vascolare e rallentano il percorso verso la demenza".