Nuovo medium avvicina a reti
cerebrali umane i neuroni in coltura
NICOLE CARDON
NOTE
E NOTIZIE - Anno XIII – 25 aprile 2015.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di
studio dei soci componenti lo staff dei
recensori della Commissione Scientifica
della Società.
[Tipologia del testo: RECENSIONE]
Fred Gage, pioniere nell’individuazione della neurogenesi nel cervello umano adulto, insieme con 15 ricercatori provenienti da istituti olandesi e svizzeri, oltre che dal Salk Institute di La Jolla in California, ha realizzato e testato un nuovo neuromedium di coltura tessutale nervosa in grado di supportare l’attività dei neuroni in condizioni prossime a quelle esistenti nel nostro cervello in funzione.
Le colture di neuroni si sono rivelate preziose per lo studio dei principi di base del sistema nervoso. Le tecnologie che consentono la riprogrammazione di cellule umane permettono di produrre, dalle cellule di un paziente, neuroni vivi sostanzialmente identici a quelli presenti nel suo encefalo e nel suo midollo spinale. Lo studio in coltura di tali neuroni neoprodotti, peraltro oggetto di numerosi studi da noi recensiti, è la modalità più avanzata di indagine neurale mirata e si avvicina al desiderio da fantascienza di studiare i neuroni malati nel cervello stesso del paziente in funzione. Poiché l’attività elettrica che genera potenziali d’azione responsabili del rilascio dei neurotrasmettitori è l’essenza della fisiologia del sistema nervoso per la vita di un animale, si cerca di riprodurre in vitro un insieme di condizioni il più possibile vicine a quelle naturali, così che lo studio dei fenomeni neuroelettrici nelle colture neuroniche possa rispecchiare la realtà in vivo.
Gage e colleghi hanno esaminato e analizzato l’attività elettrica delle cellule nervose coltivate nei medium più frequentemente adoperati. Tale studio ha rivelato che i mezzi di coltura di base classici, così come il siero, influiscono negativamente sulla genesi del potenziale d’azione e la comunicazione sinaptica. In altre parole, molte proprietà neurofisiologiche di cruciale importanza sono alterate nei mezzi di coltura neurali comunemente usati in tutto il mondo.
Per superare
questo problema, i ricercatori hanno realizzato un nuovo medium (BrainPhys basal + serum-free supplements), che sembra
rispondere al meglio alle necessità della ricerca, presentando qualità
notevolmente superiori a quelle dei mezzi di coltura tradizionali (Bardy C., et al., Neuronal medium that supports basic synaptic functions and
activity of human neurons in vitro. Proceedings of the National Academy
of Sciences USA – Epub ahead of print doi:10.1073/pnas.1504393112,
2015).
La provenienza degli autori dello studio
è la seguente: Salk Institute for Biological Studies, Sanford Consortium for
Regenerative Medicine, La Jolla, California
(USA); Department of Psychiatry and Neuropsychology, Division of
Translational Neuroscience, Maastricht University, Maastricht (Paesi Bassi); School
of Life Sciences, Lausanne (Svizzera); Conrad Prebys Center for Chemical
Genomics, Sanford-Burnham Medical Research Institute, La Jolla, California
(USA).
Attualmente la tecnologia delle cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) è correntemente impiegata per modellare malattie umane in vitro e può contribuire alla scoperta e alla validazione di nuovi trattamenti farmacologici per disturbi neurologici e psichiatrici. Coltivando neuroni sviluppati da cellule di pazienti, i ricercatori hanno dimostrato che i fenotipi associati con vari tipi di patologie possono essere riprodotti in in vitro. Le condizioni di coltura impiegate per far crescere i nuovi neuroni da studiare non sono però state aggiornate al fine di riflettere le condizioni della fisiologia cerebrale. Nella maggior parte dei casi, le colture di cellule nervose umane sono realizzate in mezzi basati su DMEM/F12, Neurobasal o una miscela di DMEM e Neurobasal. Al fine di promuovere la differenziazione neuronica ed assicurare la sopravvivenza delle cellule nervose coltivate, a questi mezzi di coltura di base si aggiungono numerosi supplementi, quali siero, fattori di crescita, ormoni, proteine e antiossidanti. In tal modo, si realizza un medium che generalmente soddisfa le attese dei ricercatori e consente di portare a termine gli esperimenti previsti, soprattutto per l’idoneità nell’assicurare la sopravvivenza di queste cellule riproducenti i caratteri dei neuroni encefalici dei pazienti.
Questi mezzi di coltura, però, non sono mai stati testati sistematicamente per definire l’adeguatezza delle loro proprietà nel consentire le funzioni fisiologiche sul modello di quelle espresse nell’animale vivente. L’attività elettrica delle reti neuroniche del cervello è finemente regolata e la sua naturale realizzazione nei termini della fisiologia è alla base della percezione, dell’attività motoria, della cognizione, delle manifestazioni delle emozioni, dell’attività necessaria a procurarsi il cibo ed alimentarsi, della funzione riproduttiva e di ogni aspetto del comportamento e del controllo neurovegetativo. Tenendo conto di tale importante rapporto fra l’espressione biofisica più studiata delle cellule nervose e la fisiologia nostra e di tutti i mammiferi, Cedric Bardy e gli altri ricercatori coordinati da Fred Gage, hanno impiegato varie tecniche elettrofisiologiche (patch clamping, calcium imaging, microelectrode arrays) per valutare i mezzi di coltura neurali attualmente in uso.
I dati emersi hanno rivelato un’azione negativa sulla fisiologia delle cellule nervose da parte dei mezzi di coltura. In particolare, i ricercatori hanno identificato vari costituenti neuroattivi che interferiscono acutamente con la funzione neurale.
Per risolvere i problemi rilevati, Bardy e colleghi hanno definito chimicamente un nuovo medium di base: BrainPhys basal. In particolare, nella composizione hanno corretto la concentrazione di sali inorganici, di aminoacidi neuroattivi e di substrati energetici. Hanno poi impiegato neuroni umani in vitro per dimostrare, in una serie di esperimenti, che questo nuovo mezzo di coltura, con vari supplementi, supporta meglio importanti funzioni neuroniche, mentre efficacemente sostiene la sopravvivenza delle cellule nervose in vitro. È interessante notare che l’esposizione di lungo termine a questo ambiente fisiologico ha progressivamente accresciuto la quota di neuroni sinapticamente attivi.
I mezzi colturali basati su BrainPhys basal sperimentati hanno dimostrato la capacità di simulare l’ambiente biologico del cervello sano sotto molti aspetti, realizzando una condizione decisamente diversa da quella delle miscele basate su DMEM, Neurobasal o serum.
BrainPhys basal è stato specificamente concepito e realizzato per lo studio funzionale in vitro di cellule nervose mature, tuttavia ha mostrato a una verifica sperimentale condotta da Gage e colleghi di costituire un buon ambiente funzionale per sezioni sottili di cervello ex vivo e, soprattutto, per la coltura di neuroni primari di roditori.
I miglioramenti introdotti da questo nuovo medium a supporto dell’attività fisiologica dei neuroni in coltura si può considerare – come dichiarano gli stessi autori dello studio – un passo in avanti importante per la riduzione dello scarto esistente fra le condizioni fisiologiche del cervello in vivo e i modelli neuronici impiegati nelle colture in vitro.
L’autrice della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla
lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE
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