Nanotubi di carbonio e neuroni: la forma conta!

Le reti neurali presentano una complessità strutturale e funzionale elevatissima, che le rende molto difficili da riprodurre in caso di lesione o deterioramento del sistema nervoso. Un aiuto potrebbe tuttavia arrivare da nano-strutture costruite ad hoc, in grado di creare un’impalcatura per la crescita delle cellule neurali.

Da diversi anni nel laboratorio della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste diretto dalla Professoressa Laura Ballerini viene studiato il legame che si forma tra substrati di crescita costituiti da materiali artificiali – come i nanotubi di carbonio – ed elementi organici quali i neuroni. I nanotubi di carbonio (carbon nanotubes, o CNT) sono infatti, grazie alla loro proprietà eletto-chimiche, un materiale d’elezione per supportare la coltivazione dei neuroni: promuovono la loro adesione, la crescita, la differenziazione cellulare e la sopravvivenza a lungo termine. Tutte caratteristiche, queste, fondamentali per lo sviluppo di importanti applicazioni nel campo delle neuroprotesi e dello sviluppo di trattamenti per lesioni cerebrali o del midollo spinale.

In particolare, negli ultimi anni è stato dimostrato che i neuroni continuano a crescere e sviluppare usando i CNT come supporto (un po’ come una vite che sfrutta un traliccio), e che essi sono in grado di svolgere la loro funzione fisiologica (ossia trasportare un segnale elettrico) se stimolati dai CNT stessi. Per questo motivo, i nanotubi di carbonio possono influenzare l’attività del sistema nervoso a tre diversi livelli di complessità: a livello della singola cellula, i CNT alterano le risposte elettrofisiologiche dei neuroni, aumentando la loro capacità di elaborare informazioni. A livello della sinapsi – ossia della comunicazione tra cellule neurali – i CNT contribuiscono a un massiccio aumento in termini sia di numero, sia di forza e stabilità delle sinapsi. Infine, a livello tridimensionale (studiato ad esempio su espianti del midollo spinale), le impalcature di CNT modificano lo sviluppo delle fibre nervose, della loro morfologia e delle loro proprietà elastiche e meccaniche.

Il cross-linking per nuovi nanotubi

Ora uno studio, pubblicato sulla rivista ACS Nano, aggiunge un nuovo tassello alla conoscenza di questa promettente nanotecnologia: nello specifico, la forma dei nanotubi di carbonio è stata modificata attraverso un processo chimico denominato cross-linking, studiandone poi le proprietà e le interazioni con i neuroni. Nel cross-linking delle catene di polimeri vengono unite attraverso la creazione di legami covalenti. In questo modo si creano reti tridimensionali che riducono la mobilità della struttura formata dai polimeri, migliorandone al contempo le proprietà meccaniche.

Vista la multidisciplinarietà intrinseca a questo tipo di ricerca, lo studio è stato realizzato grazie alla stretta collaborazione tra l’equipe della SISSA e un gruppo, guidato dal Professor Maurizio Prato, che si occupa di chimica organica all’Università degli Studi di Trieste; ha inoltre partecipato il Centro de Investigación Cooperativa en Biomateriales di San Sebastián, in Spagna.

Grazie al cross-linking, spiega Prato, “il materiale si organizza in maniera stabile in una forma precisa, da noi scelta: quella di un tessuto dove devono essere impiantate delle cellule nervose, per esempio. O attorno a degli elettrodi”. Inoltre, è stato dimostrato che il procedimento chimico del cross-linking non impatta in maniera negativa, come invece temevano i ricercatori e le ricercatrici coinvolte, sul processo di rigenerazione neurale promosso dai nanotubi di carbonio. È vero, casomai, il contrario.

“Abbiamo scoperto – illustra la Professoressa Ballerini- che questa lavorazione chimica ha degli effetti importanti: possiamo dire che il tappeto di CNT crosslinkati interagisce in maniera molto intensa e costruttiva con le cellule nervose”. Il gruppo di ricerca è anche riuscito a stabilire la natura di questa interazione, in modo da poter finemente regolare l’attività dei neuroni impiantati sui CNT: in particolare, più basso è il numero di legami tra i nanotubi, più alta sarà l’attività dei neuroni che crescono sulla loro superficie.

Mimare la complessità del sistema nervoso e delle reti che lo costituiscono è, al momento, un traguardo ancora lontano. Ma la realizzazione di strutture funzionali e stabili, anche grazie all’utilizzo della tecnica del cross-linking, molto probabilmente faciliterà l’ideazione di ibridi bio-sintetici più efficienti.

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Articolo pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.    Immagine: Reti ibride di nanotubi e neuroni interconnessi