Costruito un modello cerebrale in 3D per studiare i neuroni

AGI - Ricercatori della Delft University of Technology (TU Delft) nei Paesi Bassi hanno creato un modello in 3D che mima il vero ambiente cerebrale per capire come crescono i neuroni, come si sviluppano e strutturano le reti neuronali, come si scambiano i segnali che consentono al cervello di apprendere e adattarsi a una velocità incredibile a diversi contesti. I neuroni, cellule chiave del cervello, hanno ancora aspetti oscuri da chiarire e questo modello illustrato in un lavoro pubblicato su Advanced Functional Materials, promette di aiutare a comprendere ad esempio i meccanismi secondo cui i neuroni formano le reti e queste informazioni in futuro potrebbero anche essere sfruttate per cambiare il corso di alcune malattie neurologiche come l'Alzheimer, il morbo di Parkinson e i disturbi dello spettro autistico. Utilizzando minuscoli nanopilastri, cioè delle strutture moto più piccole del normale, che imitano il tessuto neurale molle e le fibre della matrice extracellulare del cervello, i ricercatori hanno costruito un modello del cervello in stampa 3D che ha la stessa rigidità e geometria alle quali rispondono i neuroni e molte altre cellule del corpo, in un ambiente reale, per studiare la loro crescita.

Per allevare le colture cellulari e comprenderne i fenomeni di base, oggi vengono impiegate le piastre di Petri, recipienti di vetro o plastica di forma cilindrica, piatte e rigide, tuttavia molto diverse dall'ambiente della matrice extracellulare del cervello, morbido e fibroso. I ricercatori, utilizzando la polimerizzazione a due fotoni, una tecnica di stampa laser 3D con precisione su scala nanometrica, sono riusciti a progettare un array, cioè una collezione, di nanopilastri che riproduce le proprietà geometriche e meccaniche dell'ambiente cerebrale in maniera molto dettagliata. Questi pilastri hanno dimensioni mille volte più sottile di un capello umano e sono disposti come piccole foreste su una superficie: modificando la larghezza e l'altezza dei pilastri, o il rapporto fra queste dimensioni, i ricercatori hanno regolato il loro modulo di taglio, una proprietà meccanica percepita dalle cellule quando si incontrano con array di micro o nanostrutture.

"Questo processo inganna i neuroni dando loro la sensazione di trovarsi in un ambiente morbido, simile al cervello, benche' di nanopilastri siano in realta' rigidi - ha dichiarato Angelo Accardo, professore associato - stimolati dal movimento dei neuroni, i nanopilastri simulano la morbidezza del tessuto cerebrale e al contempo forniscobo una struttura nanometrica 3D a cui i neuroni possono agganciarsi, proprio come le nanofibre della matrice extracellulare nel tessuto cerebrale reale. Questo meccanismo influenza il modo in cui i neuroni crescono e si collegano tra loro". Per testare il modello, i ricercatori hanno coltivato tre diversi tipi di cellule neuronali, derivate dal tessuto cerebrale del topo o da cellule staminali umane, sui nanopilastri. È stato così osservato che nelle tradizionali piastre di Petri e nei biomateriali 2D, i neuroni crescevano in direzioni casuali, mentre nei nanopilastri stampati in 3D, in tutti e tre i tipi di cellule, si sviluppavano secondo schemi piu' organizzati, formando reti ad angoli specifici. Lo studio ha fornito anche nuove informazioni sui coni di crescita neuronale. Queste strutture di forma simile a una mano orientano le punte dei neuroni in crescita mentre sono alla ricerca di nuove connessioni. Su superfici piatte, i coni di crescita si allargavano rimanendo relativamente piatti, sugli array dei nanopilastri invece sviluppavano lunghe proiezioni simili a dita, utili a esplorare l'ambiente circostante in tutte le direzioni, non solo lungo un piano piatto ma anche nello spazio 3D, similmente a quanto accade in un ambiente cerebrale reale.

"L'ambiente ricreato dai nanopilastri stimolava inoltre la maturazione dei neuroni - sottolinea George Flamourakis, primo autore dello studio - le cellule progenitrici neurali cresciute sui pilastri mostravano livelli più elevati di un marcatore tipico dei neuroni maturi, rispetto a quelle cresciute su superfici piatte. Ciò dimostra che il sistema non solo influenza la direzione della crescita, ma promuove anche la maturazione neuronale". Poiché la morbidezza sembra essere un fattore chiave del processo, i ricercatori si sono chiesti se bastasse fare crescere i neuroni su materiali morbidi come i gel, ma questa possibilità è stata esclusa in quanto le matrici di gel, come il collagene o il Matrigel, sono variabili da lotto a lotto e non presentano caratteristiche geometriche progettate razionalmente. Il modello di nanopolastri array consente invece di ricreare un ambiente morbido con caratteristiche nanometriche ed è altamente riproducibile estremamente, grazie alla risoluzione della polimerizzazione a due fotoni. Quindi replicando meglio il modo in cui i neuroni crescono e si connettono, il modello sviluppato potrebbe offrire nuove informazioni sulle differenze tra reti cerebrali sane e associate a disturbi neurologici, come l'Alzheimer, il morbo di Parkinson e i disturbi dello spettro autistico.