Alcuni ricercatori della Tufts University, hanno creato il tessuto tridimensionale funzionale del cervello con caratteristiche strutturali simili ai tessuti di un cervello di ratto che può essere mantenuto in vita in laboratorio per più di due mesi, come descritto in un articolo pubblicato questa settimana dalla National Academy of Sciences.
Come prima dimostrazione del suo potenziale, gli scienziati hanno usato il tessuto cerebrale del cervello 3D per studiare i cambiamenti chimici ed elettrici che si verificano immediatamente dopo una lesione cerebrale traumatica e, in un esperimento separato, i cambiamenti che si verificano in risposta ad un farmaco. Il tessuto può essere un modello superiore per l’analisi della funzione cerebrale normale, così come lesioni e la malattia, e aiutare nello sviluppo di nuovi trattamenti per la disfunzione cerebrale.
Il tessuto cerebrale è stato sviluppato al Tissue Engineering Center presso la Tufts University di Boston, Stati Uniti d’America, finanziato dal National Institute of Biomedical Imaging e Bioingegneria (NIBIB)per stabilire biomateriali e modelli innovativi di ingegneria dei tessuti.
Attualmente, gli scienziati sviluppano i neuroni in piastre di Petri per studiare il loro comportamento in un ambiente controllato, ma essendo in due dimensioni non sono in grado di replicare la complessa organizzazione strutturale del tessuto cerebrale, che consiste in regioni materia grigia e bianca separate. Nel cervello, la materia grigia è composta principalmente da corpi cellulari neuronali, mentre il bianco è formata da fasci di assoni, che sono le estensioni di neuroni che conducono gli impulsi nervosi collegati tra loro.
Poiché le lesioni e le malattie cerebrali colpiscono spesso queste aree in modo diverso, sono necessari modelli che visualizzano la suddivisione della sostanza grigia e bianca. Recentemente, gli ingegneri dei tessuti hanno cercato di crescere i neuroni in ambienti in 3-D gel, dove possono liberamente effettuare connessioni in tutte le direzioni, ma i tessuti non vivono a lungo nel gel.
Questo perché la matrice extracellulare è un ambiente complesso in cui diversi segnali locali forniscono diversi ambienti che stimolano la crescita cellulare e/o sviluppo e la funzione, in modo che non basta semplicemente fornire spazio ai neuroni di crescere in tre dimensioni. Ora un gruppo di bioingegneri ha riferito di aver creato con successo il tessuto cerebrale funzionale in 3-D presentando il partizionamento della sostanza bianca e grigia che possono sopravvivere in laboratorio per più di due mesi.
Funzione cerebrale mimica del Cervello in 3D
“Questo lavoro è un risultato eccezionale” afferma Rosemarie Hunziker, direttore del programma di Ingegneria dei Tessuti a NIBIB. Esso combina una profonda comprensione della fisiologia del cervello con un ampio e crescente insieme di strumenti per la bioingegneria adatto a creare un ambiente che è necessario e sufficiente per imitare la funzione del cervello. ”
La chiave per generare un tessuto cerebrale simile fu la creazione di una nuova struttura composita costituita da due biomateriali con proprietà fisiche diverse: una impalcatura spugnosa fatta di proteine della seta e una più morbida collagene a base di gel. L’impalcatura serve come una struttura in cui i neuroni possono essere ancorati e incoraggia gli assoni a crescere nel gel.
I neuroni dei tessuti cerebrali realizzati in 3-D hanno aumentato l’espressione di geni coinvolti nella crescita e la funzione dei neuroni. Inoltre, i neuroni coltivati in 3-D del tessuto cerebrale rimangono in attività metabolica stabile fino a cinque settimane, mentre la salute dei neuroni coltivati nell’ambiente gel inizia a deteriorarsi dopo 24 ore.
Traumatic Brain Injury
Per quanto riguarda la funzione dei neuroni nel tessuto cerebrale 3-D i ricercatori hanno potuto vedere l’attività elettrica e la reattività imitando i segnali osservati in un cervello intatto, inclusa quella elettrofisiologica di un modello di risposta tipica di una neurotossina. Come il tessuto cerebrale in 3-D mostra le proprietà fisiche simili al tessuto cerebrale dei roditori, gli esperti hanno cercato di determinare se possono utilizzare questo metodo per studiare lesioni cerebrali traumatiche.
David Kaplan, professore di Ingegneria alla Tufts University ha affermato che la longevità dei tessuti cerebrali in 3-D è anche fondamentale per la ricerca di altri disturbi cerebrali. “Il fatto che questo tessuto si possa mantenere per mesi in laboratorio significa che possiamo iniziare a studiare le malattie neurologiche in modi che altrimenti non sarebbe possibile fare perché i tempi necessari per studiare alcune malattie cerebrali sono lunghi”.
Trattamenti per la disfunzione cerebrale del cervello in 3D
” La speranza è che, l’uso di questo modello di cervello in 3d, possa portare ad una accelerazione di trattamenti per la disfunzione cerebrale, oltre ad offrire un modo migliore per studiare normale fisiologia del cervello “, spiega Hunziker.
