Una svolta ispirata ai kirigami per le neuroscienze
Lo sviluppo di organoidi derivati da cellule staminali pluripotenti indotte ha rivoluzionato la ricerca sulle neuroscienze, permettendo di approfondire l’intricata organizzazione cellulare del cervello umano. Queste repliche in miniatura di organi umani, dai mini-cervelli ai gangli sensoriali, ne simulano le complessità strutturali e le predisposizioni genetiche. Molti disturbi neuropsichiatrici sono dovuti a un’attività elettrica anomala dei neuroni che compongono il tessuto cerebrale. Sebbene le misurazioni dell’attività elettrica, anche nelle prime fasi dello sviluppo dell’organoide, possano fornire importanti indicazioni su tali patologie, lo studio della loro attività elettrica senza comprometterne la struttura tridimensionale costituisce da tempo una sfida significativa.
Array di elettrodi a rete per misurare l’attività elettrica
Realizzato con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA), il progetto STRELECOID si è ispirato all’arte del kirigami per sviluppare un’innovazione innovativa che consente una registrazione elettrica continua e non invasiva degli organoidi senza comprometterne la crescita libera. La fase iniziale del progetto si è svolta presso l’Università di Stanford. «L’innovazione centrale del progetto risiede nella capacità di rendere un materiale molto duro flessibile e adattabile. Allo stesso modo, nell’arte del taglio della carta nota come kirigami, un attento taglio geometrico può far diventare flessibili i materiali duri», spiega Csaba Forró, ricercatore MSCA. Gli array di elettrodi convenzionali sulle interfacce planari inducono stress cellulare e rischiano di danneggiare la struttura dell’organoide, ostacolando l’efficacia degli studi a lungo termine e la precisione nella raccolta dei dati. La tecnologia di STRELECOID assomiglia a una rete da pesca a basso ingombro ed eccezionale flessibilità che si dispiega in un cestello, dove viene collocato l’organoide. L’organoide continua a crescere senza alcun problema integrando l’array di elettrodi a rete, che fornisce inoltre supporto a livello strutturale. Microelettrodi dotati di un diametro di circa 25 micrometri, sparsi in tutto l’array, vengono gradualmente incorporati nel nucleo dell’organoide, consentendo la registrazione dell’attività elettrica da svariate regioni. Questo approccio elimina la necessità di inserire un dispositivo di misurazione elettrica ed evita inoltre la possibilità che l’organoide si infiammi.
Progettazione e compatibilità avanzate
Sfruttando framework di progettazione basati su Python e simulazioni fisiche, questi array vengono sottoposti a test meticolosi prima di entrare nella fase di produzione, il che garantisce la compatibilità con diversi tipi di organoidi e una stabilità prolungata. I risultati sinora ottenuti indicano che l’array di elettrodi a rete di STRELECOID è in grado di effettuare una registrazione elettrica continua dell’attività degli organoidi senza comprometterli in alcun modo per oltre sei mesi. «Ciò avviene senza disturbare o stressare l’organoide poiché l’intero processo viene eseguito mentre tale struttura si trova in sospensione», sottolinea Forró. La configurazione di STRELECOID è compatibile con le più comuni tecniche di neuroscienza, come gli interventi optogenetici e quelli farmacologici. Algoritmi innovativi consentono di rilevare in tempo reale l’attività neurale all’interno delle registrazioni, comprimendo in modo significativo i dati a mantenendo al contempo le informazioni essenziali.
Un cambiamento di paradigma nella tecnologia delle interfacce neurali
Dopo aver dimostrato il successo di questo approccio, il percorso verso l’ottimizzazione di questi array di elettrodi a rete continua: sono infatti in atto sforzi continui volti a perfezionare la loro resilienza meccanica e le relative prestazioni. Inoltre, il team si augura di poter utilizzare la soluzione con altri tipi di organoidi, tra cui quelli cardiaci. Attualmente, gli organoidi risentono di una mancanza di vascolarizzazione, che si traduce in ipossia all’interno del loro nucleo a causa della scarsa diffusione di ossigeno. Gli array di elettrodi a rete potrebbero consentire di superare questa limitazione incorporando una rete microfluidica in grado di veicolare le molecole essenziali. Guardando al futuro, Forró sottolinea: «La nostra innovazione rappresenta un cambiamento di paradigma nella tecnologia delle interfacce neurali, facendo progredire il settore e sbloccando nuove frontiere nella comprensione dei disturbi neurologici.»
Parole chiave
STRELECOID, organoide, attività elettrica, kirigami, array di elettrodi a rete, cellule staminali pluripotenti indotte, neuroscienze, tecnologia delle interfacce neurali, disturbi neuropsichiatrici
