L'argomento di ricerca di Tomi Laurila ha molti nomi bizzarri.

"Nanodiamante, nanocorno, nano-cipolla..., " elenca il professore dell'Università di Aalto, raccontando le tante nanoforme del carbonio. Laurila sta usando queste forme per costruire nuovi materiali:minuscoli sensori, solo poche centinaia di nanometri di diametro, che possono ottenere grandi cose grazie alle loro caratteristiche speciali.

Per uno, i sensori possono essere utilizzati per migliorare il trattamento delle condizioni neurologiche. Ecco perché Laurila, Il professor Tomi Taira dell'Università di Helsinki e gli esperti dell'HUS (il distretto ospedaliero di Helsinki e Uusimaa) stanno cercando modi per utilizzare i sensori per effettuare misurazioni elettrochimiche delle biomolecole. Le biomolecole sono ad es. neurotrasmettitori come il glutammato, dopamina e oppiacei, utilizzati dalle cellule nervose per comunicare tra loro.

"La maggior parte dei farmaci destinati al trattamento delle malattie neurologiche modifica la comunicazione tra le cellule nervose che si basa sui neurotrasmettitori. Se avessimo informazioni in tempo reale e individuali sul funzionamento del sistema di neurotrasmettitori, renderebbe molto più semplice ad esempio pianificare trattamenti precisi, " spiega Taira.

A causa delle loro piccole dimensioni, i sensori di carbonio possono essere presi direttamente accanto a una cellula nervosa, dove i sensori segnaleranno che tipo di neurotrasmettitore sta emettendo la cellula e che tipo di reazione sta inducendo in altre cellule.

"In pratica, misuriamo gli elettroni che si muovono nelle reazioni di ossidazione e riduzione, " Laurila spiega il principio di funzionamento dei sensori.

"Il vantaggio dei sensori sviluppati da Tomi e dagli altri è la loro velocità e le piccole dimensioni. Le sonde utilizzate negli attuali metodi di misurazione possono essere paragonate ai registri su scala cellulare:è impossibile usarle e avere un'idea della dinamica del cervello, " riassume Taira.

Sistema di feedback e tracce di memoria

Per i sensori, il viaggio dai test in vitro condotti in piatti di vetro e provette ai test in vivo e all'uso clinico è lungo. Però, i ricercatori sono molto motivati.

"Circa 165 milioni di persone soffrono di varie malattie neurologiche solo in Europa. E poiché sono così costose da curare, le malattie neurologiche costituiscono fino all'80% dei costi sanitari, "dice Taira.

Tomi Laurila crede che i sensori di carbonio avranno applicazioni in campi come l'optogenetica. L'optogenetica è un metodo recentemente sviluppato in cui una molecola fotosensibile viene introdotta in una cellula nervosa in modo che il funzionamento elettrico della cellula possa essere attivato o disattivato stimolandolo con la luce. Alcuni anni fa, un gruppo di scienziati ha dimostrato nella rivista scientifica Natura che erano riusciti a utilizzare l'optogenetica per attivare una traccia di memoria che era stata creata in precedenza a causa dell'apprendimento. Utilizzando la stessa tecnica, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che con un certo tipo di Alzheimer, il problema non è che non si creano tracce di memoria, ma che il cervello non può leggere le tracce.

"Quindi le tracce esistono, e possono essere attivati ​​potenziandoli con stimoli luminosi, " spiega Taira ma sottolinea che un'applicazione clinica non è ancora una realtà. Tuttavia, le applicazioni cliniche per altre condizioni potrebbero essere più vicine. Un esempio è il morbo di Parkinson. Nella malattia di Parkinson, la quantità di dopamina inizia a diminuire nelle cellule di una particolare sezione del cervello, che provoca i sintomi tipici come tremori, rigidità e lentezza dei movimenti. Con i sensori, il livello di dopamina potrebbe essere monitorato in tempo reale.

"Potrebbe essere collegato ad esso una sorta di sistema di feedback, in modo che reagisca dando uno stimolo elettrico o ottico alle cellule, che a sua volta rilascerebbe più dopamina, " immagina Taira.

"Un'altra applicazione che avrebbe un uso clinico immediato è il monitoraggio di pazienti incoscienti e in coma. Con questi pazienti, il livello di glutammato oscilla molto, e troppo glutammato danneggia la cellula nervosa:il monitoraggio online migliorerebbe quindi in modo significativo il loro trattamento.

Atomo per atomo

La produzione di sensori di carbonio non è sicuramente un processo di produzione di massa; è un lavoro manuale lento e meticoloso.

"In questa fase, i sensori sono praticamente in costruzione atomo per atomo, " riassume Tomi Laurila.

"Per fortuna, abbiamo molti esperti sui nostri materiali di carbonio. Per esempio, i nanobud del professor Esko Kauppinen e le pellicole di carbonio del professor Jari Koskinen aiutano nella produzione dei sensori. I materiali a base di carbonio sono principalmente molto compatibili con il corpo umano, ma ci sono ancora poche informazioni su di loro. That's why a big part of the work is to go through the electrochemical characterisation that has been done on different forms of carbon."

The sensors are being developed and tested by experts from various fields, such as chemistry, scienza dei materiali, modelling, medicine and imaging. Twenty or so articles have been published on the basic properties of the materials. Ora, the challenge is to build them into geometries that are functional in a physiological environment. And taking measurements is not simple, o.

"Brain tissue is delicate and doesn't appreciate having objects being inserted in it. But if this were easy, someone would've already done it, " conclude the two.