Primo modello di tessuto neurale 3D in vitro


Primo modello di tessuto neurale 3D in vitro

Utilizzate con successo le cellule staminali per progettare un tessuto nervoso bioibrido vivente con lo scopo di sviluppare modelli 3D di reti neurali.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno utilizzato con successo le cellule staminali per progettare un tessuto nervoso bioibrido vivente per sviluppare modelli 3D di reti neurali con la speranza di comprendere meglio come funzionano il cervello e queste reti.

Il primo autore, il dottor Gelson J. Pagan-Diaz, (1) paragona il tessuto prodotto a un'unità di elaborazione informatica, che ha fornito il principio di base al supercomputer di oggi. Pagan-Diaz è uno studente laureato nel gruppo del professor Rashid Bashir (2) nel Dipartimento di Bioingegneria (3) presso il Grainger College of Engineering. Il professor Rashid Bashir è anche Decano del Collegio.

«Essere in grado di formare tessuti tridimensionali costituiti da neuroni può darci la possibilità di sviluppare modelli di tessuto per lo screening di farmaci o unità di elaborazione per computer biologici», ha detto Pagan-Diaz.

Il cervello è impegnativo da studiare per una persona normale, ma essere in grado di capire come si sviluppano queste reti utilizzando un modello 3D al di fuori del corpo promette di fornire ai ricercatori un nuovo strumento per capire meglio come funziona. Questi modelli saranno in grado di aiutare a capire come si formano le anomalie, ad esempio ciò che provoca malattie neurologiche come l'Alzheimer.

Il team è riuscito a conferire una geometria 3D al tessuto vivente costituito da neuroni, quali optogenetica, in modo che possano essere attivati con luce blu. Questi tessuti potrebbero essere utilizzati per studiare comportamenti complessi che si verificano nel cervello e nel comprendere come questi tessuti reagiscono con lo sviluppo di nuovi farmaci. Potrebbe anche permettere una minore dipendenza dagli animali per testare questi farmaci in futuro.

Il professor Rashid Bashir spiega: «Se siamo in grado di controllare il modo in cui questi neuroni comunicano tra loro, se possiamo addestrarli usando l'optogenetica, se siamo in grado di programmarli, allora potremmo potenzialmente utilizzare per svolgere funzioni di ingegneria. In futuro, la nostra speranza è che potendo progettare questi tessuti neurali, potremo iniziare a realizzare unità di elaborazione biologica e computer biologici, simili al cervello.»

Il progetto è stato finanziato tramite un centro scientifico e tecnologico NSICS EBICS (Comportamenti emergenti dei sistemi cellulari integrati) e pubblicato dal National Academy of Sciences. (4) È stato ispirato dal lavoro svolto cinque anni fa nello sviluppo di muscoli funzionanti, in cui i ricercatori del laboratorio di Bashir hanno sviluppato bio-robot che possono camminare se stimolati con elettricità o luce.

Questo nuovo lavoro è stato eseguito da un team interdisciplinare composto da Pagan-Diaz, Bashir, Karla Ramos-Cruz (5) di bioingegneria, Richard Sam (6) della School of Molecular and Cellular Biology, Mikhail Eugene Kandel, (7) il professor Gabriel Popescu (8) di ingegneria elettrica e informatica, Onur Aydin e il professor M Taher A Saif (9) di scienza meccanica e ingegneria.

In questo studio, il team ha sviluppato imitazioni del tessuto neurale capaci di assumere forme diverse. Il team ha utilizzato idrogel e fibrina per realizzare strutture in scala da millimetro a centimetro non aventi impalcature rigide e che possono essere modellate in un numero di forme desiderate.

Il dottor Pagan-Diaz spiega: «È un fascio di centinaia o migliaia di micron di cellule contenente molte popolazioni avente una composizione genetica simile ai tessuti in vivo. Mentre continuiamo a sviluppare questi metodi di bio-fabbricazione, dovremmo essere in grado di catturare molti dei fenomeni che si verificano in vivo. Una volta che possiamo dimostrarlo, saremo in grado di imitare la morfologia che vediamo nel cervello. La capacità di fabbricare questi imitatori di tessuti all'esterno del corpo ci consentirà di caratterizzare e studiare la loro attività elettrica in modo molto dettagliato. L'ampia serie di regole di progettazione, dovute alla struttura e alle forme 3D, ti dà molta più libertà sperimentale e apre nuove strade di ricerca in neuroscienze, medicina e applicazioni ingegneristiche.»

Oltre ai test antidroga, il team è particolarmente interessato a poter ricapitolare il modo in cui queste reti potrebbero sviluppare l'apprendimento e la memoria.

Riferimenti:

(1) Gelson J. Pagan-Diaz

(2) Rashid Bashir

(3) Department of Bioengineering

(4) Engineering geometrical 3-dimensional untethered in vitro neural tissue mimic

(5) Karla Ramos-Cruz

(6) Richard Sam

(7) Mikhail Eugene Kandel

(8) Gabriel Popescu

(9) M Taher A Saif

Descrizione foto: un mimo di tessuto neurale a forma di anello è stato installato su un'asta di vetro cilindrica e l'immagine mostra come estensioni neurali dense sono in grado di formarsi su questo substrato a causa del vantaggio geometrico del tessuto. Credit: University of Illinois at Urbana-Champaign Department of Bioengineering.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Illinois team develops first of a kind in-vitro 3D neural tissue model

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