Nanoparticelle per rigenerare i neuroni: a che punto siamo

Il loro impiego potrebbe avere un grande potenziale, ma è necessario chiarire gli effetti a lungo termine che i materiali potrebbero causare sul Dna

Di Chiara Paviolo
Editor: Irene Cristofori
Revisori esperti: Erika Bindocci, Giorgio Grasselli
Revisori naive: Lidia Della Venezia, Flavio Prattico

La funzione principale di un nervo periferico è di trasmettere segnali dal sistema nervoso centrale al resto del corpo, o di trasmettere informazioni sensoriali dal resto del corpo al sistema nervoso centrale. In caso di infortuni, problemi di salute o dopo l’insorgere di complicate malattie, questo percorso può essere parzialmente o totalmente distrutto, causando una riduzione delle normali funzioni fisiologiche. I ricercatori stanno attualmente cercando nuove strategie e materiali per ripristinare questa mancata interconnessione neurale. In questo articolo si discute l’uso di recenti approcci nanotecnologici ideati per promuovere il processo di rigenerazione neurale.

I nervi periferici sono strutture anatomiche complesse, con la principale funzione di trasmettere segnali e informazioni sensoriali da o verso il sistema nervoso centrale. Questi nervi hanno lunghezza variabile, ma alcuni nervi periferici - come il nervo sciatico - possono anche raggiungere lunghezze superiori al metro. Dopo un danneggiamento (per esempio a causa di infortuni, problemi di salute o dopo l’insorgere di complicate malattie come le neuropatie), la comunicazione con il sistema nervoso centrale può essere parzialmente o totalmente distrutta, procurando di conseguenza ridotte sensazioni e funzioni, dolore, inibizione della forza muscolare e disturbi neurologici. Al contrario dei nervi del sistema nervoso centrale, i nervi periferici si possono rigenerare spontaneamente dopo lesioni non considerevoli. Tuttavia, nel caso di recisione completa di un nervo periferico, è necessario eseguire un'operazione clinica per ricollegare le porzioni del nervo danneggiato. Le attuali strategie cliniche includono trapianti (sia da donatore sia da tessuti prelevati dal paziente stesso) e guide nervose (ossia supporti artificiali usati per facilitare la rigenerazione nervosa), ma purtroppo la distanza massima di rigenerazione è ancora limitata a 25 millimetri. Inoltre, si stima che ad oggi solo il solo il 50% dei pazienti raggiunga il normale ripristino delle funzioni dopo trattamento chirurgico, mentre il restante 50% rimane con una disabilità o dolore permanenti. Attualmente la ricerca si sta orientando verso lo sviluppo di nuove strategie e nuovi materiali per migliorare questo limite di rigenerazione, come l'uso di supporti cellulari con diverse proprietà meccaniche e chimiche, l'uso di molecole in grado di promuovere il processo di crescita neurale (come i famosi fattori di crescita neurali, la cui scoperta ha conferito il premio Nobel a Rita Levi-Montalcini), e l'incorporazione di cellule di supporto nelle guide nervose artificiali (come l’uso di cellule staminali provenienti dal midollo osseo).

Recentemente, diversi gruppi di ricerca hanno diretto i loro sforzi verso l'uso di nanoparticelle per applicazioni di rigenerazione neurale. Si tratta di minuscole entità chimiche (dimensioni di decine di nanometri, ossia circa diecimila volte più piccole della larghezza di un capello umano), hanno forma ben definita (ad esempio sfera, tubo o stella), sono generalmente facili da modificare superficialmente e sono chimicamente piuttosto stabili. Inoltre, le loro dimensioni nanoscopiche consentono a questi dispositivi di penetrare all'interno delle cellule con relativa facilità. Questo meccanismo è particolarmente utile per la somministrazione mirata di farmaci, in quanto le nanoparticelle possono essere modificate chimicamente per individuare siti specifici nel corpo umano [2]. È stato anche dimostrato che le nanoparticelle possono favorire la crescita dei neuriti - sottili filamenti che fuoriescono dal corpo cellulare dei neuroni - nelle cellule neurali. Queste fibre sono dendriti o assoni in via di sviluppo, e quindi particolarmente importanti per la comunicazione tra neuroni e la rigenerazione neurale. Su questo specifico argomento, un gruppo italiano della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, ha scoperto che alcuni speciali nanotubi di boro-nitride (speciali in quanto esibiscono la capacità di generare un segnale elettrico se sottoposti ad uno sforzo meccanico) possono essere utilizzati per aumentare la lunghezza dei neuriti in cellule neurali periferiche, osservando un aumento del 30% nella crescita del tessuto neurale dopo irradiazione con ultrasuoni [3]. Questo elegante studio è stato uno tra primi ad osservare rigenerazione neurale ottenuta con l’applicazione di nanomateriali.

Diversi tipi di materiali sono già stati  testati in laboratorio, ma, fra tutti, i metalli nobili (come l’oro o l’argento) sono particolarmente interessanti perché aggiungono alle nanoparticelle particolari proprietà ottiche. Infatti, se irradiate con una luce esterna le nanoparticelle metalliche sono in grado di generare una oscillazione di risonanza.

Una volta eccitata, l’energia di risonanza viene rapidamente rilasciata nell'ambiente circostante sotto forma di calore. Questo principio è già stato utilizzato con successo per diverse applicazioni nervose, come ad esempio per modulare l'attività neurale (un esempio di applicazione è mostrato in Figura 2) [4]. In un recente articolo è stato anche dimostrato che l'irradiazione di nanotubi d’oro può generare abbastanza calore per stimolare l'attività elettrica in neuroni uditivi [5]. Questo risultato innovativo non solo ha mostrato che è possibile indurre potenziali d’azione (ossia segnali elettrici) in cellule nervose, ma ha anche stabilito che l’irradiazione delle nanoparticelle potrebbe in teoria rimpiazzare i metodi standard di stimolazione con elettrodi. Utilizzando gli stessi principi, alcuni ricercatori hanno inoltre dimostrato che, se viene incremementata l’irradiazione ottica, si ottiene un effetto contrario, ossia l'inibizione dell’ attività neurale causata dal troppo surriscaldamento. Questo approccio potrebbe rappresentare una valida alternativa per il trattamento di disturbi cerebrali che necessitano di soppressione elettrica (come ad esempio l'epilessia o il morbo di Parkinson, in cui si ha un aumento patologico di attività neurale) [4]. In termini di rigenerazione, è stato dimostrato che il calore sviluppato dopo l’eccitazione di nanotubi d’oro può anche essere utilizzato per indurre il rilascio di ioni calcio (Ca²⁺) all’interno di cellule nervose [6]. Questi ioni sono particolarmente importanti per le cellule neurali del sistema nervoso periferico, in quanto hanno un ruolo chiave nella regolazione della crescita e dell’estensione dei neuriti.

Sebbene l'uso di nanoparticelle per applicazioni neurali e terapeutiche sia un campo di ricerca emerso solo in quest’ultimo decennio, sono ancora molto pochi gli studi condotti su animali. Questo passo è essenziale per comprendere le risposte fisiologiche e biochimiche delle cellule e dei tessuti prima di passare alla sperimentazione sull’uomo. Le domande principali a cui i ricercatori stanno cercando di dare una risposta sono: 

• Ci sono conseguenze sull’attivazione dei segnali cellulari causate dall’uso dei nanomateriali?
  
   
• Una volta introdotti in un tessuto, questi nanomateriali producono effetti sulle risposte infiammatorie? 
  
  

• I nanomateriali possono causare danni genetici o modificare il comportamento cellulare?
  
  

È noto che un’alta concentrazione di nanoparticelle in organismi viventi può causare stress a livello cellulare, portando a disfunzioni cellulari gravi, come infiammazione, alterazione dell’attività proteica, danni al DNA, cancro o morte cellulare [7]. Recentemente, alcuni ricercatori hanno registrato un numero maggiore di cellule morenti o danneggiate dopo aver somministrato nanoparticelle nella retina dei topi [8]. In termini di attività elettrica, si è anche osservato che le nanoparticelle possono aumentare l'eccitabilità neuronale, suggerendo che sono in grado di alterare le funzioni neurali e causare ipereccitabilità come quella presente in condizioni patologiche [9].

L'uso di nanoparticelle per trattare i disordini neurali potrebbe dunque avere un grande potenziale per applicazioni future, quali protesi neurali e terapie cellulari. Tuttavia, vi è la necessità impellente di chiarire gli effetti a lungo termine che i nanomateriali potrebbero causare sulla compatibilità biologica, sul Dna, sui segnali intracellulari e sull’attivazione elettrica dei neuroni. Per le applicazioni di rigenerazione neurale, la letteratura scientifica suggerisce che ci sia un grande potenziale per combinare gli effetti stimolatori delle nanoparticelle con metodi noti per promuovere l’estensione dei nervi periferici (come ad esempio l’uso di supporti formati da lunghe fibre). Ulteriori applicazioni potrebbero anche includere la preparazione delle nanoparticelle con materiali biodegradabili, al fine di consentire il rilascio prolungato e mirato di farmaci (come ad esempio i fattori di crescita) nei siti che richiedono rigenerazione neurale. In conclusione, il lavoro è ancora molto, ma nel futuro le nanoparticelle potrebbero rappresentare una valida alternativa per trattare i disturbi neurologici sull’uomo.

Bibliografia

[1] Gorman C, Researchers Build New Bridges for Nerve Injury, Scientific American, 308, 18-12-2012.

[2] Salvati S, L'importanza delle Nanoparticelle d'oro in biologia, Elaborati MolecularLab, n. 214.

[3] Ciofani G, Danti S, D'Alessandro D, Ricotti L, Moscato S, Bertoni G, Falqui A, Berrettini S, Petrini M, Mattoli V, Menciassi A (2010) Enhancement of neurite outgrowth in neuronal-like cells following boron nitride nanotube-mediated stimulation. ACS Nano 4:6267-6277.

[4] Yoo S, Hong S, Choi Y, Park J, Nam Y (2014) Photothermal inhibition of neural activity with near-infrared-sensitive nanotransducers. ACS Nano 8:8040-8049.

[5] Yong J, Needham K, Brown WGA, Nayagam BA, McArthur SL, Yu A, Stoddart PR (2014) Gold-nanorod-assisted near-infrared stimulation of primary auditory neurons. Adv Healthcare Mater 3:1862–1868.

[6] Paviolo C, Thompson AC, Yong J, Brown WG, Stoddart PR (2014) Nanoparticle-enhanced infrared neural stimulation. J Neural Eng 11:065002.

[7] Poljak-Blazi M, Jaganjac M, Zarkovic N (2010) Cell oxidative stress: risk of metal nanoparticles. In: Handbook of nanophysics: nanomedicine and nanorobotics (Sattler, K., ed), pp 1-17: CRC Press.

[8] Söderstjerna E, Bauer P, Cedervall T, Abdshill H, Johansson F, Johansson UE (2014) Silver and gold nanoparticles exposure to in vitro cultured retina – Studies on nanoparticle internalization, apoptosis, oxidative stress, glial- and microglial activity. PLoS One 9.

[9] Jung S, Bang M, Kim BS, Lee S, Kotov NA, Kim B, Jeon D (2014) Intracellular gold nanoparticles increase neuronal excitability and aggravate seizure activity in the mouse brain. PLoS ONE 9:e91360.

Autore: Chiara Paviolo

Nata a Torino nel 1984, Chiara Paviolo si laurea in ingegneria biomedica presso il Politecnico di Torino nel 2008. Spinta dall’amore per i viaggi, inizia un dottorato di ricerca a Melbourne sull’interazione delle nanoparticelle con le cellule neurali. Nel 2011 vince il NanoVentures Australia award per svolgere parte della sua ricerca a Sheffield (in Gran Bretagna). Attualmente Chiara lavora come post-doc alla Swinburne University (Melbourne), dove studia l’oligomerizzazione del fattore di crescita epiteliale nelle cellule tumorali. Le sue passioni sono i libri, la fotografia, gli spazi aperti e la buona cucina. Ama suonare il pianoforte e stare in mezzo alla natura.