Verso La Realizzazione Di Una Retina Artificiale Bio-organica

Ragazzi di 3°B questo articolo, che commenterà i risultati di uno studio condotto da un gruppo di ricercatori italiani sulla retina, potrebbe interessare anche voi, dato che stiamo trattando il sistema nervoso, il più complesso e affascinante dei sistemi biologici umani.

Per comprenderlo, dobbiamo però ricordare brevemente che cosa è e come funziona la retina umana.

La retina è la membrana più interna dell'occhio ed è formata da 10 strati. Il terzo strato, procedendo dall’esterno verso l’interno, è costituito dai fotorecettori (coni e bastoncelli), neuroni altamente specializzati e sensibili alle radiazioni luminose. Grazie all’attività di tali cellule, la retina invia alla corteccia cerebrale, mediante il nervo ottico e le altre vie ottiche, le informazioni da rielaborare. La luce che perviene sul fondo oculare viene, infatti, trasformata dai fotorecettori, grazie ad una serie complessa di reazioni chimiche e chimico-fisiche,  in segnali di tipo bioelettrico. Questi raggiungono i lobi ottici, le aree della corteccia cerebrale specializzate per la visione, mediante il citato nervo ottico.

Il cervello, poi, interpreta i segnali diversi che riceve, raddrizzando l’immagine che sulla retina è capovolta.

Tra i fotorecettori che compongono la retina, i coni (circa 5 milioni), sensibili alle radiazioni luminose intense, sono i responsabili della visione a colori, mentre i bastoncelli (circa 100 milioni) sono sensibili a radiazioni luminose di bassa intensità  e non ai colori. Per tale distinzione, i coni, concentrati ad altissima densità nella fovea (struttura interna alla macula), sono preposti alla visione distinta e a quella a colori; i bastoncelli, distribuiti, invece, nella parte rimanente della retina, sono particolarmente sensibili al movimento e alla visione al buio.

(immagine presa qui)

 
Segue una fotografia al microscopio elettronico a scansione della retina, in cui sono visibili coni e bastoncelli. La foto proviene dal Centro di Microscopia elettronica dell'Università di Ferrara, che abbiamo visitato qualche anno fa con i ragazzi di una classe terza.



Fatta questa doverosa premessa, arriviamo al dunque, ovvero allo studio condotto dagli sforzi congiunti del  team di ricercatori composto da Diego Ghezzi, Maria Rosa Antognazza, Marco Dal Maschio, Erica Lanzarini, Fabio Benfenati, Guglielmo Lanzani.
Gli scienziati provengono: dal Dipartimento di Neuroscienze e Neurotecnologie dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova; dal Centro di Nanoscienze e Tecnologie  dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Milano; dal Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano.

Lo studio, coordinato da  Guglielmo Lanzani, direttore del CNST, è stato pubblicato il 25 Gennaio 2011 su Nature Communications con il titolo "A hybrid bioorganic interface for neuronal photoactivation".

Ma quali sono i risultati della ricerca? In estrema sintesi, unendo le competenze patrimonio di tre diversi istituti di ricerca, è stato possibile realizzare una retina artificiale di natura organica, grazie all’interfacciamento funzionale di un semiconduttore organico con una rete di neuroni primari in coltura.

L’approccio del team italiano rappresenta un nuovo strumento per l’interfacciamento neurale attivo, che  è un’alternativa più semplice ed efficace rispetto alle tecniche, già esistenti e ampiamente utilizzate, di fotostimolazione optogenetica dei neuroni, perché evita il trasferimento di geni, che è potenzialmente pericoloso.

Secondo Guglielmo Lanzani,  il nuovo approccio alla stimolazione ottica di neuroni può imprimere un ulteriore impulso a lavorare per lo sviluppo di una retina artificiale, basata su materiali organici.

Cerchiamo di approfondire come funziona l’interfacciamento tra il dispositivo biotecnologico, ottenuto grazie alla nanotecnologia, utilizzato dai ricercatori ( rr-P3HT:PCBM) e le reti di neuroni.

Le immagini seguenti si riferiscono alla stimolazione ottica di neuroni coltivati su un dispositivo ITO/rr-P3HT:PCBM.

In particolare, la prima figura è la rappresentazione schematica del paradigma di stimolazione ottica, compresa la localizzazione dello stimolo, in una regione che circonda il neurone bersaglio (scale bar, 10 µm).

Figura 1

Lanzani spiega che lo strato attivo della loro interfaccia è un prototipo di materiale comunemente utilizzato nelle applicazioni fotovoltaiche organiche (RR-P3HT: PCBM). Nella quasi totalità della struttura di eterogiunzione, RR-P3HT  si comporta come un materiale donatore di elettroni, mentre PCBM si comporta come accettore di elettroni, garantendo così una efficienza quantica esterna molto elevata nel processo di generazione della carica.

La seconda figura, rappresenta lo schema dell'interfaccia fotosensibile, con la crescita della rete di neuroni  sopra lo strato attivo del polimero.

Figura 2

Nella terza figura, si osserva il monitoraggio online del pH della soluzione extracellulare in presenza (black, n = 4) o assenza di fotostimolazione (red, n = 4).

Figura 3

La quarta figura mostra la generazione del potenziale di azione in risposta ad un impulso di fotostimolazione (50 ms).

Figura 4

Nella quinta figura, un esempio di spike train (impulso elettrico) generato con impulsi da 20 ms  a 1 Hz.
Il team di ricerca ha realizzato il proprio dispositivo attraverso un processo a più stadi: il film polimerico attivo e poi la miscela organica sono stati trattati termicamente con una esposizione a  120 °C per 2 ore.

Figura 5

Secondo Lanzani, il trattamento termico ha avuto la doppia funzione di migliorare la morfologia del film polimerico e l'efficienza di fotogenerazione della carica, che ha preparato il film per la coltura delle cellule successive, eliminando tutti i residui di solventi organici come acetone, alcool metilico, clorobenzene, che sono molto tossici per i sistemi biologici.

Lo strato polimerico è stato poi coperto con poli-L-lisina (PLL) per migliorare l'adesione. Infine, sono stati seminati e coltivati su di esso i neuroni embrionali primari, presi dall’ippocampo di un ratto.

Poli-L-lisina (presa di wikipedia en)
 

I ricercatori hanno testato le prestazioni della struttura bio-organica,  trovando una corrispondenza deterministica tra la  fotostimolazione del semiconduttore organico vicino al corpo cellulare e l'attivazione neuronale.  Inoltre,  hanno dimostrato che, utilizzando semiconduttori organici, è possibile riprodurre le funzioni strettamente connesse con la visione dei colori da parte della retina umana.

Lo studio condotto dai ricercatori italiani è interessante perché, a differenza delle interfacce  in metallo o silicone, l'interfaccia da loro proposta funziona senza campo elettrico applicato esternamente e con dissipazione minima di calore. Il che è positivo per  disporre di una efficiente interfaccia biologica perché limita i problemi termici. Dal momento che il meccanismo è capacitivo, ossia basato sulla distribuzione spaziale di carica, vi è una  corrente elettrica trascurabile durante la stimolazione.  Ciò assicura una dispersione bassa e senza stress termici per la cellula.

In definitiva, lo studio italiano costituisce un passo importante verso la realizzazione di una retina artificiale organica per la visione dei colori.

Naturalmente i tempi della sperimentazione sono lunghi e il percorso è solo nella fase iniziale.  Il dispositivo dovrà essere prima impiantato e osservato nei ratti e successivamente si passerà all’impianto nell’uomo.

Di sicuro si è aperta una nuova strada nella realizzazione delle protesi retiniche e, se tutto procederà come sperato, i vantaggi per coloro che soffrono di gravi patologie oculistiche, inclusa la cecità (a patto che il nervo ottico sia funzionante), saranno rilevanti.

Le immagini 1-2-3-4-5- sono state prese qui.

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Ghezzi, D., Antognazza, M., Dal Maschio, M., Lanzarini, E., Benfenati, F., & Lanzani, G. (2011). A hybrid bioorganic interface for neuronal photoactivation Nature Communications, 2 DOI: 10.1038/ncomms1164