Un nanomateriale progettato dai ricercatori della Duke può aiutare a regolare i livelli di cloruro nelle cellule nervose che contribuiscono al dolore cronico, epilessia, e trauma cranico.

Le scoperte, pubblicato online il 10 dicembre 2012, nel diario Piccolo , sono stati dimostrati nelle singole cellule nervose e nel cervello di topi e ratti, e potrebbe avere applicazioni future in dispositivi intracranici o spinali per aiutare a trattare le lesioni neurali.

I nanotubi di carbonio sono un nanomateriale con caratteristiche uniche, compresa la resistenza meccanica e la conduttività elettrica. Queste caratteristiche, insieme alle loro piccole dimensioni, renderli attraenti sia per i ricercatori in tecnologia che per la medicina.

In un mondo di computer e smartphone sempre più piccoli, i nanotubi di carbonio sono stati utilizzati come soluzione per migliorare i microchip. Superano i microchip al silicio in termini di dimensioni e prestazioni, soddisfare una domanda di minori, dispositivi più veloci. Per le persone con lesioni nervose e alcuni disturbi neurologici, dispositivi rivestiti o interamente realizzati con nanotubi di carbonio potrebbero offrire una nuova strada per migliorare le opzioni di trattamento.

"I nanotubi di carbonio sono molto promettenti per una serie di applicazioni, e stiamo solo iniziando a vedere il loro enorme potenziale, " ha detto l'autore principale Wolfgang Liedtke, M.D., dottorato di ricerca, professore associato di medicina e neurobiologia alla Duke. "Le loro eccezionali proprietà meccaniche ed elettriche li rendono ideali per lo sviluppo di dispositivi che si interfacciano con i tessuti nervosi. Tuttavia, i precisi meccanismi alla base dei nanotubi di carbonio e il loro effetto sui neuroni rimangono sfuggenti".

Non tutti i nanotubi di carbonio sono uguali. Jie Liu, dottorato di ricerca, George Barth Geller Professore di Chimica alla Duke University e autore senior dello studio, ha sviluppato specifici nanotubi di carbonio straordinariamente puri. Definiti nanotubi di carbonio a poche pareti, hanno proprietà superiori alle loro controparti disponibili in commercio.

I ricercatori della Duke inizialmente si sono proposti di valutare se i nanotubi di carbonio avessero effetti tossici o negativi sui tessuti viventi. Studiare neuroni coltivati ​​da roditori, che rappresenta una "corteccia cerebrale in un piatto, " hanno scoperto il contrario. L'esposizione delle cellule ai nanotubi di carbonio sembrava avere un effetto nutriente sui neuroni, rendendoli più grandi e più forti.

"Studi precedenti hanno esaminato il comportamento dei nanotubi di carbonio sui neuroni. Tuttavia, l'impurità nei nanotubi ha significativamente influenzato i risultati. Dopo aver sviluppato nanotubi di carbonio puri a poche pareti nel nostro laboratorio, abbiamo scoperto che i nanotubi hanno effettivamente accelerato significativamente la crescita delle cellule neuronali, " disse Liù.

I circuiti neurali possono essere corrotti da cloruri elevati all'interno dei neuroni. Un certo numero di malattie comportano un tale danno al circuito neurale, compreso il dolore cronico, epilessia, e trauma cranico.

Bassi livelli di cloruro all'interno dei neuroni sono mantenuti da una proteina trasportatrice del cloro chiamata KCC2, che funziona espellendo gli ioni cloruro dalla cellula. Nei neuroni maturi, non c'è backup per questa funzione.

I neuroni immaturi coltivati ​​nel laboratorio di Liedtke avevano alti livelli di cloruro, ma man mano che le cellule maturavano, i loro livelli di cloruro sono diminuiti all'aumentare di KCC2. Quando i neuroni sono stati esposti a nanotubi di carbonio, le cellule sono maturate molto più velocemente, e i livelli di cloruro sono scesi più rapidamente. I ricercatori hanno scoperto che le cellule più giovani esposte ai nanotubi di carbonio hanno prodotto più proteine ​​KCC2.

"I nanotubi di carbonio hanno migliorato la regolazione del cloruro nei neuroni a livelli normali. Questi cambiamenti sono di enorme importanza per la cellula, " ha detto Liedtke.

L'aumento della proteina KCC2 è stato anche collegato a un aumento del calcio nei neuroni. L'aumento dei livelli di calcio ha attivato una proteina presente nel cervello chiamata CaMKII che segnala a un neurone di produrre più KCC2.

Risultati simili sono stati osservati nel cervello dei topi, poiché i nanotubi di carbonio hanno indotto un aumento dell'attività del gene KCC2, suggerendo che i nanotubi di carbonio a parete ridotta influenzino la regolazione genica di KCC2.

Questi risultati potrebbero portare allo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi di ingegneria neurale che utilizzano nanotubi di carbonio. I dispositivi esistenti che modulano la funzione delle cellule nervose utilizzano sistemi elettrici che risalgono a diversi decenni.

"Speriamo che i nanotubi di carbonio funzionino anche nei nervi feriti come hanno fatto nel nostro studio sui neuroni in via di sviluppo, " Ha continuato Liedtke. "L'uso dei nanotubi di carbonio è solo agli inizi, e siamo entusiasti di far parte di un settore in via di sviluppo con così tanto potenziale".