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I vermi e il cervello umano
Non ci sono cure per malattie neurodegenerative debilitanti come il Parkinson e i ricercatori ancora non capiscono cosa causa la morte delle cellule cerebrali nei pazienti affetti da queste malattie. Ma i ricercatori del MIT sperano di accelerare la ricerca di risposte e la ricerca di terapie in un improbabile soggetto di prova: i vermi.
Vermi intelligenti: I ricercatori del MIT hanno creato un chip microfluidico per schermate rapide dell'intero genoma e per testare un gran numero di composti terapeutici nei vermi vivi. I neuroni di questo verme, il nematode C. elegans, lungo un millimetro, sono etichettati in verde.
Mehmet Fatih Yanik , assistente professore di ingegneria elettrica e informatica al MIT, sta sviluppando dispositivi microfluidici che potrebbero facilitare notevolmente gli esperimenti, tra cui lo screening dell'intero genoma e i test antidroga, su piccoli vermi nematodi chiamati C. elegans . Sono un soggetto preferito di biologi e ricercatori medici perché i vermi sono minuscoli e trasparenti e i ricercatori possono fare esperimenti con loro che non sono possibili con animali più grandi.
I chip polimerici di Yanik hanno due strati di canali. Uno strato è come un labirinto, dice. In questo strato, i vermi lunghi un millimetro vengono trasportati e smistati ad alta velocità. I canali sono larghi solo poche centinaia di micrometri e contengono volumi di liquido molto piccoli. Lo strato superiore è quello che Yanik chiama l'impianto idraulico. Contiene valvole che controllano il flusso di liquido e vermi.
I canali di aspirazione consentono ai ricercatori di immobilizzare i vermi per l'imaging su un microscopio ad alta risoluzione. I vermi nematodi sono costituiti da meno di mille cellule, ognuna delle quali può essere vista al microscopio. Usando il chip di Yanik, puoi vedere i neuroni morire in tempo reale negli animali vivi, dice Richard Nass , assistente professore di pediatria e farmacologia presso il Vanderbilt University Medical Center. L'imaging a questo livello di dettaglio e velocità è impossibile negli animali più grandi e i sistemi di worm più vecchi possono fornire immagini sfocate perché i worm nuotano liberamente.
Nass ha sviluppato il primo modello di verme del morbo di Parkinson. In esso, gli animali vengono trattati con una tossina che uccide i neuroni della dopamina. Sul chip, i vermi possono essere smistati usando segni visivi di come la tossina colpisce i loro nervi. Un simile esperimento richiede circa sei mesi utilizzando tecniche convenzionali, afferma Nass. Sul chip di Yanik, ci vuole un mese.
Nell'ambito di una collaborazione con un'importante azienda farmaceutica internazionale, Nass sta usando i chip e i suoi vermi per scoprire possibili terapie per il Parkinson. Gli esseri umani hanno decine di migliaia di neuroni dopaminergici collegati a decine di migliaia di altri neuroni, afferma Nass. I vermi hanno solo otto neuroni dopaminergici, ma a livello molecolare il loro sistema nervoso è quasi identico al sistema nervoso umano.
In un tipo di esperimento possibile con il nuovo dispositivo microfluidico, i vermi sul chip possono essere trattati con composti per screening di farmaci ad alto rendimento. Tali screening farmacologici automatizzati, che attualmente vengono eseguiti su singole cellule, non sono stati pratici in passato su animali vivi interi.
Il chip di Yanik dovrebbe anche accelerare gli schermi dell'intero genoma che aiutano i ricercatori a capire quali geni sono necessari per i processi vitali, come la capacità delle cellule nervose di riprendersi da un infortunio. Molti geni nei vermi … funzionano allo stesso modo degli organismi superiori, dice Richard Roy , professore associato di biologia alla McGill University. Nello specifico, il chip di Yanik potrebbe aiutare ad accelerare gli esperimenti in cui i ricercatori mettono a tacere ogni singolo gene del verme e osservano cosa succede per determinare quali geni sono necessari per quali processi fisiologici.
Yanik sta usando i chip per studiare la genetica della rigenerazione dei nervi. Ha sviluppato un laser altamente preciso e intenso per eseguire microchirurgia sui vermi. Il laser gli consente di recidere in modo molto preciso un singolo ramo di un neurone senza danneggiare il tessuto circostante. Yanik silenzia ogni gene nell'intero genoma del verme, un gene alla volta, quindi separa i neuroni in ogni verme e osserva il risultato. Se un verme con un particolare gene silenziato non può guarire il nervo danneggiato, ciò suggerisce che il gene svolge un ruolo importante nel processo di guarigione.
L'accelerazione degli studi sui vermi potrebbe avere ampie implicazioni per la medicina genomica. I vermi forniscono un modello particolarmente valido del sistema nervoso umano e sono anche ampiamente utilizzati per studiare lo sviluppo, con implicazioni per i disturbi dello sviluppo umano e il cancro, afferma Roy. I chip di Yanik, se manterranno la loro promessa, rappresenterebbero un enorme miglioramento in termini di velocità, volume e precisione rispetto a ciò che è attualmente disponibile.