Costruire strumenti bioingegnerizzati per una migliore salute del cervello
L’epilessia è una grave malattia cronica del cervello caratterizzata da crisi ricorrenti. È una delle patologie neurologiche gravi più comuni, che colpisce circa 60 milioni di persone in tutto il mondo. «Rimangono bisogni urgenti e insoddisfatti per il trattamento di queste malattie neurologiche», spiega la coordinatrice del progetto PRIME(si apre in una nuova finestra) Deirdre Kilbane del Walton Institute(si apre in una nuova finestra) presso South East Technological University(si apre in una nuova finestra) (SETU) in Irlanda.
Sistemi autonomi di cellule viventi impiantabili
Il progetto PRIME ha cercato di affrontare questa sfida attraverso una tecnica innovativa e pionieristica. Il progetto, che riunisce sette partner internazionali esperti in campi multidisciplinari come la biologia sintetica, l’informatica, l’ingegneria delle comunicazioni e la nanomedicina, si proponeva di sviluppare un sistema cellulare vivente impiantabile autonomo, in grado di attivare la soppressione delle crisi epilettiche. L’idea è che queste cellule, impiantate nel cervello, possano prevedere le crisi epilettiche e rilasciare molecole terapeutiche in tempo reale. Un punto chiave del progetto è stato la modellazione e la simulazione delle vie di comunicazione molecolari rilevanti per l’insorgenza di una crisi epilettica. L’iniziativa è stata condotta dal Walton Institute della SETU. L’Università di Aarhus si è concentrata sulla regolazione dell’espressione genica e sull’insorgenza delle crisi epilettiche, mentre il Royal College of Surgeons in Irlanda ha analizzato la progettazione molecolare, l’implementazione e la convalida funzionale di cellule neurali ingegnerizzate. All’Università di Ferrara, gli scienziati hanno studiato l’ingegneria delle cellule di mammifero con funzioni di calcolo molecolare. L’Università di Tampere, partner del progetto, ha fornito competenze in materia di microfabbricazione, tecnologia delle membrane e incapsulamento delle cellule di biocomputing. Nel frattempo, il partner del progetto omiics ha utilizzato la propria esperienza nel sequenziamento dell’RNA a basso input e nell’analisi bioinformatica, mentre EPOS-IASIS ha fornito approfondimenti su nanoproduzione, nanomateriali, nanomedicina e tecnologie genetiche.
Intelligenza artificiale per ottimizzare la risposta e le prestazioni
Grazie a questa collaborazione interdisciplinare, sono stati raggiunti progressi significativi. Gli sviluppi principali includono la simulazione della comunicazione molecolare, l’ingegneria cellulare e la progettazione di dispositivi impiantabili. Un prototipo di strumento di progettazione per l’ingegneria delle cellule utilizza l’intelligenza artificiale (IA) e integra simulazioni di comunicazione molecolare che utilizzano modelli biofisici e di meccanica statistica. «Gli ampi set di dati sperimentali forniti in ogni fase dello sviluppo ci hanno permesso di utilizzare l’intelligenza artificiale per prevedere e ottimizzare con precisione la risposta e le prestazioni», osserva l’autrice. I partner hanno ingegnerizzato con successo cellule ARPE-19 di mammifero con funzioni di calcolo molecolare in grado di rilevare segnali correlati alle crisi (tsRNA) e di innescare il rilascio di una molecola terapeutica (GDNF). Il lavoro del progetto ha prodotto una dozzina di pubblicazioni, più di recente un articolo(si apre in una nuova finestra), che illustra alcuni dei lavori svolti nello sviluppo di modelli di propagazione della comunicazione molecolare e di dispositivi di sensing biologico impiantabili.
Diagnosi e monitoraggio delle malattie neurologiche
I partner del consorzio PRIME continuano a raccogliere risultati e a condurre analisi. Le prossime tappe prevedono test in vivo per garantire che il team sia in grado di raggiungere i suoi obiettivi chiave. «Si è trattato di un progetto innovativo con una stretta collaborazione tra i partner», afferma la ricercatrice. «Non vediamo l’ora di continuare il nostro lavoro negli ultimi mesi di PRIME». Nel complesso, il progetto rappresenta una pietra miliare significativa per migliorare la vita di coloro che vivono con epilessia e altre malattie neurologiche croniche. In effetti, il concetto di impiantare cellule sintetiche programmabili che imitano i circuiti elettronici di calcolo potrebbe essere esteso al trattamento di altre patologie neurologiche. «Le innovazioni sperimentate da PRIME hanno il potenziale per rivoluzionare il modo in cui diagnostichiamo e monitoriamo le malattie neurologiche, rilevando in modo efficiente i biomarcatori», aggiunge. «Abbiamo fatto un enorme passo avanti verso la costruzione di strumenti bioingegnerizzati per una migliore salute del cervello».
