Neuropatia periferica: fibre ottiche morbide bloccano il dolore

Le nuove fibre sono intese come uno strumento sperimentale che può essere utilizzato dagli scienziati per esplorare le cause e i potenziali trattamenti per i disturbi dei nervi periferici nei modelli animali. Il dolore ai nervi periferici può verificarsi quando i nervi esterni al cervello e al midollo spinale sono danneggiati, provocando formicolio, intorpidimento e dolore negli arti colpiti. Si stima che la neuropatia periferica colpisca più di 20 milioni di persone negli Stati Uniti.

“Gli attuali dispositivi utilizzati per studiare i disturbi nervosi sono realizzati con materiali rigidi che limitano il movimento, quindi non possiamo realmente studiare le lesioni del midollo spinale e il recupero se è coinvolto il dolore“, afferma Siyuan Rao, assistente Professore di ingegneria biomedica presso l’Università del Massachusetts ad Amherst, che ha svolto parte del lavoro come postdoc al MIT. “Le nostre fibre possono adattarsi al movimento naturale e svolgere il loro lavoro senza limitare il movimento del soggetto. Questo può darci informazioni più precise”.

“Ora, abbiamo uno strumento per studiare le malattie legate al sistema nervoso periferico, in condizioni molto dinamiche, naturali e non vincolate“, aggiunge Xinyue Liu PhD ’22, che ora è assistente Professore alla Michigan State University (MSU).

I dettagli sulle nuove fibre sono stati riportati il 19 ottobre in uno studio apparso su Nature Methods. I coautori del MIT di Rao e Liu includono Atharva Sahasrabudhe, laureato in chimica; Xuanhe Zhao, Prof. di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale e Polina Anikeeva, Prof.ssa di scienza e ingegneria dei materiali, insieme ad altri presso MSU, UMass-Amherst, Harvard Medical School e National Institutes of Health .

Espansione dell’optogenetica oltre il cervello

Il nuovo studio è nato dal desiderio del team di espandere l’uso dell’optogenetica oltre il cervello. L’optogenetica è una tecnica mediante la quale i nervi vengono geneticamente modificati per rispondere alla luce. L’esposizione a quella luce può quindi attivare o inibire il nervo, il che può fornire agli scienziati informazioni su come funziona il nervo e interagisce con l’ambiente circostante.

I neuroscienziati hanno applicato l’optogenetica negli animali per tracciare con precisione i percorsi neurali alla base di una serie di disturbi cerebrali, tra cui la dipendenza, il morbo di Parkinson e i disturbi dell’umore e del sonno – informazioni che hanno portato a terapie mirate per queste condizioni.

Gli ingegneri del MIT hanno progettato una morbida fibra ottica di idrogel (mostrata illuminata) che stimola i nervi periferici e potrebbe aiutare i ricercatori a identificare le origini e i trattamenti per il dolore correlato ai nervi. Credito: per gentile concessione dei ricercatori

Fino ad oggi, l’optogenetica è stata impiegata principalmente nel cervello, un’area priva di recettori del dolore, che consente l’impianto relativamente indolore di dispositivi rigidi. Tuttavia, i dispositivi rigidi possono comunque danneggiare i tessuti neurali. Il team del MIT si è chiesto se la tecnica potesse essere estesa ai nervi esterni al cervello. Proprio come nel cervello e nel midollo spinale, i nervi del sistema periferico possono subire una serie di disturbi, tra cui sciatica, malattia dei motoneuroni e intorpidimento e dolore generali.

L’optogenetica potrebbe aiutare i neuroscienziati a identificare le cause specifiche dei disturbi dei nervi periferici e a testare terapie per alleviarli. Ma l’ostacolo principale all’implementazione della tecnica oltre il cervello è il movimento. I nervi periferici sperimentano una costante spinta e trazione da parte dei muscoli e dei tessuti circostanti. Se nella periferia venissero utilizzati dispositivi rigidi in silicio, limiterebbero il movimento naturale dell’animale e potrebbero causare danni ai tessuti.

Cristalli e Luce

I ricercatori hanno cercato di sviluppare un’alternativa che potesse funzionare e muoversi con il corpo. Il loro nuovo design è una fibra morbida, elastica e trasparente realizzata in idrogel, un mix gommoso e biocompatibile di polimeri e acqua, il cui rapporto è stato sintonizzato per creare minuscoli cristalli di polimeri su scala nanometrica sparsi in una soluzione più simile alla gelatina.

La fibra comprende due strati: un nucleo e un guscio esterno o “rivestimento”. Il team ha mescolato le soluzioni di ogni strato per generare una specifica disposizione cristallina. Questa disposizione conferiva a ciascuno strato un indice di rifrazione specifico e diverso e insieme gli strati impedivano alla luce che viaggiava attraverso la fibra di fuoriuscire o disperdersi.

Il team ha testato le fibre ottiche nei topi i cui nervi erano stati geneticamente modificati per rispondere alla luce blu che avrebbe eccitato l’attività neurale o alla luce gialla che avrebbe inibito la loro attività. I ricercatori hanno scoperto che anche con la fibra impiantata, i topi erano in grado di correre liberamente su una ruota. Dopo due mesi di esercizi con la ruota, per un totale di circa 30.000 cicli, i ricercatori hanno scoperto che la fibra era ancora robusta e resistente alla fatica e poteva anche trasmettere la luce in modo efficiente per innescare la contrazione muscolare.

Il team ha quindi acceso un laser giallo e lo ha fatto passare attraverso la fibra impiantata. Utilizzando procedure di laboratorio standard per valutare l’inibizione del dolore, i ricercatori hanno osservato che i topi erano molto meno sensibili al dolore rispetto ai roditori che non erano stati stimolati con la luce. Le fibre sono state in grado di inibire significativamente il dolore sciatico nei topi stimolati dalla luce.

I ricercatori vedono le fibre come un nuovo strumento che può aiutare gli scienziati a identificare le radici del dolore e di altri disturbi dei nervi periferici.

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“Ci stiamo concentrando sulla fibra come nuova tecnologia neuroscientifica per curare la neuropatia e nin solo“, afferma Liu. “Speriamo di aiutare ad analizzare i meccanismi alla base del dolore nel sistema nervoso periferico. Con il tempo, la nostra tecnologia potrebbe aiutare a identificare nuove terapie meccanicistiche per il dolore cronico e altre condizioni debilitanti come la degenerazione o le lesioni dei nervi”.