Gli scienziati hanno sviluppato nanoparticelle magnetiche in grado di modulare a distanza i circuiti neurali

 Di: Daniel Duan

Immagine al microscopio elettronico che mostra particelle di ossido di ferro all'interno di una "bolla" di liposomi (MIT)

Attualmente, i ricercatori delle neuroscienze fanno molto affidamento su procedure invasive per stimolare e registrare l'attività neurale degli animali da esperimento. Un team di scienziati del MIT ha costruito un tipo di nanoparticella magnetica sensibile al calore in grado di fornire stimolanti chimici in profondità nei tessuti cerebrali e rilasciarli su richiesta, fornendo un nuovo mezzo per modulare a distanza i comportamenti dei soggetti del test.

Le particelle liposomiali sono minuscole strutture simili a bolle spesso costituite da doppi strati di fosfolipidi. Grazie alla loro biocompatibilità, capacità di intrappolare una varietà di molecole piccole e grandi e versatilità nell'adottare un'ampia gamma di proprietà fisico-chimiche e biologiche, i liposomi sono un vettore popolare nella scienza biomedica, in grado di fornire qualsiasi cosa, dal DNA plasmidico per l'editing genetico, a chemio-agenti citotossici nella terapia del cancro.

Le nanoparticelle magnetiche (MNP) possono essere prodotte aggiungendo ossido di ferro a queste bolle lipidiche. Non sono solo un buon agente di contrasto nelle scansioni di risonanza magnetica (MRI), ma anche un veicolo perfetto per indurre l' ipertermia magnetica, una tecnica ampiamente utilizzata nel trattamento oncologico. In una procedura tipica, una preparazione colloidale fatta di composti di ossido di ferro su scala nanometrica viene iniettata direttamente nella vena che alimenta un tumore. Le particelle colloidali si riscaldano dopo l'esposizione a un campo magnetico alternato ad alta frequenza, che consente loro di "cuocere" e alla fine uccidere i tessuti cancerosi all'interno del tumore.

Per lo studio del comportamento e delle neuroscienze, gli scienziati usano spesso elettrodi di registrazione per attivare la stimolazione cerebrale profonda (DBS). La DBS, che prevede il posizionamento di elettrodi stimolanti in profondità nel cervello di un soggetto, è efficace nel trattamento di disturbi neurodegenerativi come il morbo di Parkinson e il tremore essenziale.

Il team del MIT mirava a sviluppare un'alternativa molto più delicata per sostituire questa procedura invasiva. Hanno utilizzato un cosiddetto approccio magnetogenetico, essenzialmente distribuendo MNP che attraversano la barriera emato-encefalica (BBB) ​​nella regione cerebrale mirata e utilizzando l'energia termica generata dall'ipertermia magnetica per rilasciare stimolanti chimici incapsulati all'interno di queste bolle lipidiche.

Nello studio, hanno osservato il calore generato nelle vicinanze dei loro MNP in presenza di campi magnetici alternati. Circa 20 secondi dopo, quando le particelle liposomiali hanno raggiunto una temperatura di 42 gradi Celsius (107,6 ° F), le molecole di farmaco intrappolate sono state viste fuggire dall'MNP termicamente sensibile.

Gli autori sperano che il loro approccio magnetogenetico innovativo possa un giorno rivoluzionare il modo in cui i ricercatori di neuroscienze modulano e studiano i circuiti neurali intrinseci.

Quest'ultima ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology .

Abstract:

Il collegamento dell'uscita del circuito neurale al comportamento può essere facilitato dalla precisa manipolazione chimica di specifiche popolazioni cellulari 1 , 2 . Recettori ingegnerizzati attivati ​​esclusivamente da piccole molecole di design consentono la manipolazione di percorsi neurali specifici 3 , 4 . Tuttavia, la loro applicazione agli studi sul comportamento è stata finora ostacolata da un compromesso tra la bassa risoluzione temporale dell'iniezione sistemica rispetto all'invasività delle cannule impiantate o delle pompe di infusione 2. Qui, abbiamo sviluppato una modulazione chemiomagnetica controllata a distanza, una tecnica basata su nanomateriali che consente l'interrogazione farmacologica di popolazioni neurali mirate in soggetti che si muovono liberamente. Il calore dissipato dalle nanoparticelle magnetiche (MNP) in presenza di campi magnetici alternati (AMF) innesca il rilascio di piccole molecole da vescicole lipidiche termicamente sensibili con una latenza di 20 s. Abbinata all'attivazione chemogenetica di recettori ingegnerizzati, questa tecnica consente il controllo di neuroni specifici con precisione temporale e spaziale. La consegna di particelle chemiomagnetiche all'area tegmentale ventrale (VTA) consente la modulazione remota del comportamento motivato nei topi. Inoltre, questo approccio chemiomagnetico attiva i circuiti endogeni consentendo il rilascio regolato di ligandi dei recettori. Applicata a un agonista endogeno del recettore D1 della dopamina (DRD1) nel nucleo accumbens (NAc), un'area del cervello coinvolta nella mediazione delle interazioni sociali, la modulazione chemiomagnetica aumenta la socialità nei topi. Offrendo un controllo temporalmente preciso di specifiche interazioni ligando-recettore nei neuroni, questo approccio può facilitare gli studi di neuroscienze molecolari negli organismi che si comportano.

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