Implants detect changes in chemical released following spinal injury / Gli impianti rilevano i cambiamenti nella sostanza chimica rilasciata dopo la lesione spinale

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Implantable sensor has the speed and precision for tracking a brain chemical known to be elevated in certain brain diseases and after a spinal cord injury / Il sensore impiantabile ha la velocità e la precisione per rintracciare una sostanza chimica del cervello nota per essere elevata in alcune malattie del cervello e dopo una lesione del midollo spinale (Purdue University image/Tran Nguyen)

Debilitating migraines are a common consequence of spinal-cord injuries, triggered by a chemical messenger in the brain that spikes very quickly to toxic levels.

It has previously been impossible to detect such a fast change in the level of the responsible neurotransmitter, glutamate. Biomedical engineers from Purdue University have now developed an implant that can detect a glutamate spike and help track the damage it causes, which may find future use as a method for determining whether drugs for brain trauma or diseases are working.

In healthy people, glutamate is associated with function such as learning and memorising. Damage to the spinal cord can cause it to leak into spaces outside cells, over-exciting and damaging them. This tends to occur very rapidly, with glutamate levels suddenly spiking.

“When you feel like you’re running a fever, it doesn’t matter when you check your temperature – it will probably be the same for several hours. But a glutamate spike is so fast that if you don’t capture it at that moment, you miss the whole opportunity to get data,” said Riyi Shi, a professor of neuroscience and biomedical engineering in Purdue’s Department of Basic Medical Sciences, College of Veterinary Medicine and Weldon School of Biomedical Engineering.

Devices that have been developed so far are not sensitive enough to detect glutamate, fast enough to capture a spike or affordable enough for long-term research or clinical application. In a paper in Biosensors and Bioelectronics, Shi and the Purdue team explain how they produced a flexible sensor from platinum nanoparticle-based nanocomposite ink, using 3D printing and laser micro-machining.

“We wanted to create a low-cost and very fast way to build these sensors so that we can easily provide researchers with a means to measure glutamate levels in vivo,” said Hugh Lee, a Purdue assistant professor of biomedical engineering, who focuses on implantable microtechnologies.

Using these two techniques allows the researchers to rapidly change the size, shape and orientation of sensors and test them in animals with no need for expensive microfabrication methods. In an animal test, with the implants mounted in the spinal cord, the researchers were able to capture the glutamate spike immediately, while previous sensors have taken half an hour to return data.

Prof Shi hopes that the sensor will help determine the mechanism behind glutamate leaks and migraines, which is currently unclear. How big of a problem is a migraine? Is too much glutamate really behind the pain, or is it that the system that cleans up glutamate is down?” he said.

The sensor might also be useful for monitoring other brain diseases. Parkinson’s and Alzheimer’s diseases are both associated with increased glutamate levels. Future research will focus on creating a way for biosensors to self-clear of inflammatory cells which the immune system built into a fibrous capsule which blocks the sensitivity. They also hope to implant more sensors along the spinal cord, to track how far glutamate spreads and how quickly.

ITALIANO

Le emicranie debilitanti sono una conseguenza comune delle lesioni del midollo spinale, innescate da un messaggero chimico nel cervello che raggiunge rapidamente livelli tossici.

In precedenza era impossibile rilevare un cambiamento così rapido nel livello del neurotrasmettitore responsabile, il glutammato. Gli ingegneri biomedici della Purdue University hanno ora sviluppato un impianto in grado di rilevare un picco di glutammato e aiutare a rintracciare il danno che provoca, che potrebbe trovare un uso futuro come metodo per determinare se i farmaci per i traumi cerebrali o le malattie stanno funzionando.

Nelle persone sane, il glutammato è associato a funzioni come l'apprendimento e la memorizzazione. Danni al midollo spinale possono causare perdite in spazi esterni alle cellule, eccitanti e dannosi. Questo tende a verificarsi molto rapidamente, con livelli di glutammato improvvisamente elevati.

"Quando senti di avere la febbre, non importa quando controlli la temperatura - probabilmente sarà la stessa per diverse ore. Ma un picco di glutammato è così veloce che se non lo catturi in quel momento, perdi l'intera opportunità di ottenere dati ", ha detto Riyi Shi, un professore di neuroscienze e ingegneria biomedica nel Dipartimento di Scienze Mediche di base di Purdue, College of Medicina veterinaria e Weldon School of Biomedical Engineering.

I dispositivi che sono stati sviluppati finora non sono abbastanza sensibili da rilevare il glutammato, abbastanza velocemente da catturare un picco o abbastanza convenienti per la ricerca a lungo termine o l'applicazione clinica. In un documento su Biosensors and Bioelectronics, il gruppo Shi e il gruppo Purdue spiegano come hanno prodotto un sensore flessibile da inchiostro nanocomposito a base di nanoparticelle di platino, utilizzando la stampa 3D e la microlavorazione laser.

"Volevamo creare un modo economico e molto veloce per costruire questi sensori in modo da poter facilmente fornire ai ricercatori un mezzo per misurare i livelli di glutammato in vivo", ha dichiarato Hugh Lee, un assistente alla Purdue di ingegneria biomedica, che si concentra su microtecnologie impiantabili.

L'utilizzo di queste due tecniche consente ai ricercatori di modificare rapidamente le dimensioni, la forma e l'orientamento dei sensori e testarli negli animali senza la necessità di costosi metodi di microfabbricazione. In un test sugli animali, con gli impianti montati nel midollo spinale, i ricercatori sono stati in grado di catturare immediatamente il picco di glutammato, mentre i sensori precedenti hanno impiegato mezz'ora per restituire i dati.

Il prof. Shi spera che il sensore contribuisca a determinare il meccanismo alla base delle perdite di glutammato e delle emicranie, che al momento non è chiaro. Quanto è grande un problema di emicrania? È troppo glutammato davvero dietro al dolore, o è che il sistema che pulisce il glutammato riducendolo? ", ha detto.

Il sensore potrebbe anche essere utile per monitorare altre malattie cerebrali. Le malattie di Parkinson e di Alzheimer sono entrambe associate a un aumento dei livelli di glutammato. La ricerca futura si concentrerà sulla creazione di un modo per i biosensori di auto-cancellare le cellule infiammatorie che il sistema immunitario ha incorporato in una capsula fibrosa che blocca la sensibilità. Sperano anche di impiantare più sensori lungo il midollo spinale, per rintracciare quanto lontano il glutammato si diffonde e quanto velocemente.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/spinal-injuries-biosensor-purdue/?cmpid=tenews_7800338&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79