L'ossido nitrico è un'importante molecola di segnalazione nel corpo, con un ruolo nella costruzione di connessioni del sistema nervoso che contribuiscono all'apprendimento e alla memoria. Funziona anche come messaggero nel sistema cardiovascolare e immunitario.

Ma è stato difficile per i ricercatori studiare esattamente qual è il suo ruolo in questi sistemi e come funziona. Perché è un gas, non c'è stato alcun modo pratico per indirizzarlo a singole cellule specifiche per osservarne gli effetti. Ora, un team di scienziati e ingegneri al MIT e altrove ha trovato un modo per generare il gas in punti precisi all'interno del corpo, potenzialmente aprendo nuove linee di ricerca sugli effetti di questa molecola essenziale.

I risultati sono riportati sulla rivista Nanotecnologia della natura , in un articolo dei professori del MIT Polina Anikeeva, Karthish Manthiram, e Yoel Fink; studente laureato Jimin Park; postdoc Kyoungsuk Jin; e altri 10 al MIT e a Taiwan, Giappone, e Israele.

"È un composto molto importante, " dice Anikeeva. Ma capire le relazioni tra la somministrazione di ossido nitrico a particolari cellule e sinapsi, ei conseguenti effetti di livello superiore sul processo di apprendimento sono stati difficili. Finora, la maggior parte degli studi ha fatto ricorso agli effetti sistemici, eliminando i geni responsabili della produzione di enzimi che il corpo usa per produrre ossido nitrico dove è necessario come messaggero.

Ma quell'approccio, lei dice, è "forza molto bruta. Questo è un martello per il sistema perché lo stai buttando fuori non solo da una regione specifica, diciamo nel cervello, ma essenzialmente lo elimini dall'intero organismo, e questo può avere altri effetti collaterali".

Altri hanno provato a introdurre nel corpo composti che rilasciano ossido nitrico mentre si decompongono, che può produrre effetti un po' più localizzati, ma questi ancora si diffondono, ed è un processo molto lento e incontrollato.

La soluzione del team utilizza una tensione elettrica per guidare la reazione che produce ossido nitrico. Questo è simile a ciò che sta accadendo su scala molto più ampia con alcuni processi di produzione elettrochimica industriale, che sono relativamente modulari e controllabili, consentendo la sintesi chimica locale e su richiesta. "Abbiamo preso quel concetto e detto, sai cosa? Puoi essere così locale e così modulare con un processo elettrochimico che puoi farlo anche a livello della cellula, " Dice Manthiram. "E penso che ciò che è ancora più eccitante di questo è che se usi il potenziale elettrico, hai la possibilità di avviare la produzione e interromperla in un batter d'occhio."

Il risultato chiave del team è stato trovare un modo per far funzionare questo tipo di reazione elettrochimicamente controllata in modo efficiente e selettivo su scala nanometrica. Ciò ha richiesto di trovare un materiale catalizzatore adatto che potesse generare ossido nitrico da un materiale precursore benigno. Hanno scoperto che il nitrito offriva un promettente precursore per la generazione elettrochimica di ossido nitrico.

"Abbiamo avuto l'idea di creare una nanoparticella su misura per catalizzare la reazione, " dice Jin. Hanno scoperto che gli enzimi che catalizzano la generazione di ossido nitrico in natura contengono centri ferro-zolfo. Traendo ispirazione da questi enzimi, hanno ideato un catalizzatore che consisteva di nanoparticelle di solfuro di ferro, che attiva la reazione di produzione dell'ossido nitrico in presenza di un campo elettrico e nitrito. Drogando ulteriormente queste nanoparticelle con platino, il team è stato in grado di migliorare la loro efficienza elettrocatalitica.

Per miniaturizzare la cella elettrocatalitica alla scala delle celle biologiche, il team ha creato fibre personalizzate contenenti i microelettrodi positivi e negativi, che sono rivestiti con le nanoparticelle di solfuro di ferro, e un canale microfluidico per il rilascio di nitrito di sodio, il materiale precursore. Quando viene impiantato nel cervello, queste fibre dirigono il precursore ai neuroni specifici. Quindi la reazione può essere attivata a piacimento elettrochimicamente, attraverso gli elettrodi nella stessa fibra, producendo un'esplosione istantanea di ossido nitrico proprio in quel punto in modo che i suoi effetti possano essere registrati in tempo reale.

Come prova, hanno usato il sistema in un modello di roditore per attivare una regione del cervello che è nota per essere un centro di ricompensa per la motivazione e l'interazione sociale, e questo gioca un ruolo nella dipendenza. Hanno dimostrato che ha effettivamente provocato le risposte di segnalazione previste, dimostrandone l'efficacia.

Anikeeva dice che questa "sarebbe una piattaforma di ricerca biologica molto utile, perché alla fine, le persone avranno modo di studiare il ruolo dell'ossido nitrico a livello delle singole cellule, in interi organismi che svolgono compiti." Sottolinea che ci sono alcuni disturbi associati a interruzioni della via di segnalazione dell'ossido nitrico, quindi studi più dettagliati su come funziona questo percorso potrebbero aiutare a portare a trattamenti.

Il metodo potrebbe essere generalizzabile, Parco dice, come un modo per produrre altre molecole di interesse biologico all'interno di un organismo. "Essenzialmente ora possiamo avere questo modo davvero scalabile e miniaturizzato per generare molte molecole, fintanto che troviamo il catalizzatore appropriato, e finché troviamo un composto di partenza appropriato che sia anche sicuro." Questo approccio alla generazione di molecole di segnalazione in situ potrebbe avere ampie applicazioni in biomedicina, lui dice.

"Uno dei nostri revisori di questo manoscritto ha sottolineato che questo non è mai stato fatto:l'elettrolisi in un sistema biologico non è mai stata sfruttata per controllare la funzione biologica, " Anikeeva dice. "Allora, questo è essenzialmente l'inizio di un campo che potrebbe essere potenzialmente molto utile" per studiare molecole che possono essere consegnate in luoghi e tempi precisi, per studi in neurobiologia o altre funzioni biologiche. Quella capacità di produrre molecole su richiesta all'interno del corpo potrebbe essere utile in campi come l'immunologia o la ricerca sul cancro, lei dice.

Il progetto è iniziato come risultato di una conversazione casuale tra Park e Jin, che erano amici che lavoravano in diversi campi:neurobiologia ed elettrochimica. Le loro discussioni casuali iniziali hanno finito per portare a una collaborazione in piena regola tra diversi dipartimenti. Ma nel mondo bloccato di oggi, Jin dice, tali incontri e conversazioni casuali sono diventati meno probabili. "Nel contesto di quanto è cambiato il mondo, se questo fosse in quest'era in cui siamo tutti separati l'uno dall'altro, e non nel 2018 c'è qualche possibilità che questa collaborazione non sia mai avvenuta".