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Jun 15, 2023

Confronto di elettrodi frattali e a griglia per lo studio degli effetti del confinamento spaziale sul comportamento neuronale e gliale della retina dissociata

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 17513 (2022) Citare questo articolo

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Comprendere l'impatto della geometria e della composizione materiale degli elettrodi sulla sopravvivenza e sul comportamento delle cellule retiniche è importante sia per gli studi cellulari fondamentali che per le applicazioni di neuromodulazione. Investighiamo come le cellule retiniche dissociate dei topi C57BL/6J interagiscono con gli elettrodi costituiti da nanotubi di carbonio allineati verticalmente cresciuti su substrati di biossido di silicio. Confrontiamo elettrodi con diversi gradi di confinamento spaziale, in particolare elettrodi frattali e a griglia caratterizzati rispettivamente da spazi collegati e disconnessi tra gli elettrodi. Per entrambi gli elettrodi, troviamo che i processi neuronali si accumulano prevalentemente sull'elettrodo piuttosto che sulle superfici degli spazi e che questo comportamento è più forte per gli elettrodi a griglia. Tuttavia, il carattere "chiuso" degli spazi tra gli elettrodi della griglia impedisce alla glia di coprire le superfici degli spazi. Si prevede che questa mancanza di copertura gliale per le griglie avrà effetti dannosi a lungo termine sulla sopravvivenza neuronale e sull'attività elettrica. Al contrario, gli spazi interconnessi all’interno degli elettrodi frattali promuovono la copertura gliale. Descriviamo le diverse risposte cellulari ai due elettrodi e ipotizziamo che esista una geometria ottimale che massimizza la risposta positiva sia dei neuroni che della glia quando interagiscono con gli elettrodi.

Vi è un crescente interesse nell’acquisizione di una conoscenza fondamentale dei dispositivi artificiali progettati per interagire con le cellule del sistema nervoso umano. Quando impiantati nel corpo, questi dispositivi hanno applicazioni potenzialmente importanti per la diagnosi e il trattamento di molte malattie neurodegenerative, tra cui la retinite pigmentosa e la degenerazione maculare legata all'età che fungono da esempi comuni per il sistema visivo1,2,3,4,5,6, 7. Per i dispositivi dotati di elettrodi che stimolano i neuroni, la progettazione degli elettrodi deve consentire anche le interazioni con la glia. Sebbene i neuroni e la glia siano stati scoperti più o meno nello stesso periodo, la ricerca di questi ultimi è stata più lenta nel prendere slancio8 anche se sono prevalenti nel sistema nervoso centrale9 e svolgono un ruolo centrale nel controllo della struttura e della funzionalità della rete neuronale10. Oltre a migliorare le prestazioni dei dispositivi medici, l’esplorazione delle differenze tra le risposte di questi due tipi di cellule agli elettrodi può essere utilizzata per studiare il comportamento fondamentale delle cellule della retina e il grado in cui il loro comportamento può essere controllato.

Le strategie per controllare la presenza della glia dovrebbero bilanciare i loro impatti positivi e negativi. Le risposte infiammatorie e di altro tipo della glia possono essere innescate dall'inserimento di impianti e dai loro micromovimenti contro il tessuto nervoso11,12,13,14,15 insieme a disallineamenti delle loro proprietà meccaniche (come la rigidità) con il tessuto16,17 . Questi effetti possono creare “cicatrici” gliali che separano l’elettrodo dai neuroni presi di mira e ne riducono il potere stimolante. D'altro canto, le tecniche mirate all'eliminazione completa della glia avranno impatti negativi a lungo termine sulla sopravvivenza, sulla salute e sull'attività elettrica dei neuroni18. Questo perché le glia fungono da sistema di supporto vitale dei neuroni, forniscono segnali fisici naturali per la loro migrazione19,20,21 e aiutano a regolare la loro funzione22, a mantenere la loro salute23 e a migliorare la loro efficacia sinaptica24.

Le strategie per controllare le risposte gliali possono essere implementate simultaneamente per creare l'impianto meno invasivo. Questi includono la riduzione delle dimensioni dell'impianto25, la riduzione dei disallineamenti meccanici17, il miglioramento della porosità superficiale26,27 e la copertura dell'impianto con un rivestimento biomimetico o bioattivo per nasconderlo potenzialmente dalla risposta al corpo estraneo13. Le modifiche alla struttura fisica della superficie, ad esempio introducendo la nanoruvidità o la stampa a microcontatto mediante litografia, sono state utilizzate anche per controllare l'attaccamento e la guida delle cellule28,29,30 per molti scopi, inclusa la riduzione delle risposte gliotiche31.