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Optogenetica: impianto cerebrale con ricarica wireless, flessibile e sicuro

Nuove strade per lo studio di malattie neurodegenerative e dei dispositivi impiantabili

Categorie Dispositivi indossabili · Nanotecnologie

Attivare e/o inibire popolazioni di neuroni semplicemente con la luce? È possibile! Stiamo parlando dell’optogenetica che sta compiendo passi da gigante se pensiamo che è una tecnologia “recente”, risalente a poco più di un decennio fa, ma un aspetto su cui si continua a lavorare è l’alimentazione dei sistemi optoelettrici. Dalla Corea del Sud, in particolare dal Korea Advanced Institute of Science & Technology (Kaist), arriva un dispositivo impiantabile nel cervello, morbido e ricaricabile in modalità wireless che apre nuove frontiere per lo studio delle malattie neurodegenerative.

Optogenetica: usare la luce per attivare i neuroni

Meccanismo chiave nell’optogenetica. Credits: Nature Protocols

Come anticipato, l’optogenetica è una tecnologia recente nata dalla fusione dell’ingegneria genetica e principi di ottica che sfrutta la sensibilità alla luce di particolari proteine trans-membrana, le opsine prodotte da particolari microorganismi come le alghe, che si estendono per tutta la membrana fosfolipidica formando un vero e proprio canale; quando sono colpite da luce alla giusta lunghezza d’onda si aprono facendo passare selettivamente ioni carichi.

Dunque, impiantando i geni di queste proteine è possibile attivare e/o inibire in maniera precisa popolazioni neuronali solo sfruttando la luce con l’obiettivo di comprendere al meglio i meccanismi di alcune malattie neurodegenerative e trovare un possibile trattamento. Ad esempio nei casi dell’Alzheimer, alcuni studi effettuati su topi da laboratorio hanno evidenziato come, nelle fasi iniziali della malattia, si possono recuperare i ricordi perduti, stimolando neuroni specifici nella regione dell’ippocampo, la parte del cervello fondamentale per la memoria.

Configurazioni attuali

Configurazioni attuali dei dispositivi usati in optogenetica. Credits: Frontiers of Neuroscience

Dopo aver indotto nella membrana dei neuroni l’espressione delle opsine, queste devono essere colpite da luce a determinate lunghezze d’onda perciò gli approcci convenzionali prevedono l’uso di microscopiche fibre ottiche che vengono inserite nel cervello per illuminare porzioni precise dell’area cerebrale. Tuttavia, queste configurazioni con filo limitano il movimento e provocano un aumento dell’infiammazione nei tessuti cerebrali molli a causa della loro meccanica rigida.

Approcci più recenti si stanno evolvendo verso dispositivi optogenetici wireless impiantabili ma in questo caso come alimentarli? Questo aspetto ha sempre suscitano il lavoro da parte degli ingegneri, infatti, c’è chi pensa a biobatterie alimentate da saliva e sudore oppure supercondensatori biologici che si caricano con elettroliti del proprio corpo come sangue o urina. Nel nostro caso, i dispositivi optoelettrici presentano una configurazione con batterie ma necessitano la periodica sostituzione; alternative con circuiti di raccolta di energia a radiofrequenza miniaturizzati sono suscettibili agli orientamenti angolari, non supportano il controllo selettivo tra più animali mescolati insieme e richiedono speciali gabbie ingombranti dotate di un sistema di trasferimento di potenza RF.

Impianto cerebrale: flessibile, ricaricabile in modalità wireless e sicuro

Impianto cerebrale con simulazione ambiente di ricarica e sperimentale. Credits: Nature Communications

Il nuovo sistema optoelettronico firmato Kaist è completamente impiantabile e morbido così che può essere integrato in modo conforme all’interno del corpo e controllabile da uno smartphone, dotato di led di dimensioni minuscole (equivalenti a un granello di sale) per manipolare i neuroni bersaglio nel cervello usando la luce. Nello specifico è costituito da sonde neurali optoelettroniche per la fotostimolazione, un circuito di gestione dell’alimentazione con un’antenna a bobina flessibile e una batteria ricaricabile ai polimeri di litio per ricarica e funzionamento wireless, controllata da un sistema bluetooth, e incapsulamento in polimero morbido per favorire una migliore biointegrazione e protezione.

La grande novità è l’alimentazione che non necessita di interruzioni, infatti, i dispositivi possono essere caricati in modalità wireless mentre gli animali si muovono liberamente in una gabbia domestica dotata di un sistema di ricarica automatica wireless a circuito chiuso; una volta completamente carichi, gli animali possono essere collocati in qualsiasi altro ambiente sperimentale. Questo apre nuove strade per la sperimentazione sull’uomo, l’impianto nel cervello può essere azionato semplicemente manipolando uno smartphone e ricaricato indossando un casco di ricarica wireless integrato con una bobina di trasmissione RF.  

Il tasso di assorbimento specifico (SAR), che esprime la misura della percentuale di energia elettromagnetica assorbita teoricamente dal corpo umano quando questo viene esposto all’azione di un campo elettromagnetico a radiofrequenza, è sufficientemente basso e la generazione di calore trascurabile indotta dal casco con ricarica wireless dimostrano il funzionamento biologicamente sicuro.

Risultati e prospettive future: dall’optogenetica ai pacemaker

Future configurazioni dell’optogenetica sull’uomo. Credits: Nature Communications

 Il dispositivo dalle dimensioni ridotte, circa 1140 mm2, e peso 1.4 g dimostra che può essere facilmente impiantato senza la necessità di ulteriori interventi, riducendo lo stress chirurgico. Inoltre, è compatibile con TC e raggi X, purtroppo a causa di connessioni metalliche non è utilizzabile in risonanza magnetica ma i ricercatori sono a lavoro per trovare componenti alternative.

Inoltre, la ricarica in modalità wireless e il controllo da smartphone combina i vantaggi dei dispositivi alimentati a batteria (ovvero, un alimentatore stabile) e senza batteria (ovvero un design miniaturizzato), conferendo affidabilità, ubiquità operazione e impianto completo. L’incapsulamento del dispositivo in polidimetilsilossano e Parylene, come barriera dai biofluidi, può migliorare la durata del dispositivo fino a diversi decenni.

I ricercatori ritengono che aiuterà a realizzare applicazioni dell’optogenetica negli esseri umani nel prossimo futuro, consentendo un trattamento mirato altamente preciso di malattie neurodegenerative come l’Alzheimer e il Parkinson; inoltre, questa tecnologia potrà portare benefici anche in altri ambiti dei dispositivi impiantabili, compresi gli stimolatori cerebrali profondi, pacemaker cardiaci o gastrici.