Gli impianti rilevano i cambiamenti nelle sostanze chimiche rilasciate in seguito a lesioni spinali / Implants detect changes in chemical released following spinal injury

Gli impianti rilevano i cambiamenti nelle sostanze chimiche rilasciate in seguito a lesioni spinali / Implants detect changes in chemical released following spinal injury

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

Un sensore impiantabile ha la velocità e la precisione necessarie per tracciare una sostanza chimica cerebrale che è nota per essere elevata in determinate patologie cerebrali e dopo una lesione del midollo spinale /  Gli impianti rilevano i cambiamenti nelle sostanze chimiche rilasciate in seguito a lesioni spinali / Implants detect changes in chemical released following spinal injury

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

In precedenza era impossibile rilevare un cambiamento così rapido nei livelli 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 contribuire a tracciare il danno che causa, il che potrebbe trovare futuro utilizzo come metodo per determinare l'efficacia dei farmaci per traumi o malattie cerebrali.

Nelle persone sane, il glutammato è associato a funzioni come l'apprendimento e la memorizzazione. Danni al midollo spinale possono causarne la fuoriuscita negli spazi esterni alle cellule, sovraeccitandole e danneggiandole. Questo tende a verificarsi molto rapidamente, con picchi improvvisi di livelli di glutammato.

"Quando ti senti come se avessi la febbre, non importa quando controlli la temperatura: probabilmente rimarrà la stessa per diverse ore. Ma un picco di glutammato è così rapido che se non lo catturi in quel momento, perdi l'opportunità di ottenere dati", ha affermato Riyi Shi, professore di neuroscienze ed ingegneria biomedica presso il Dipartimento di Scienze Mediche di Base della Facoltà di Medicina Veterinaria e la Weldon School of Biomedical Engineering della Purdue University.

I dispositivi sviluppati finora non sono sufficientemente sensibili da rilevare il glutammato, né abbastanza veloci da catturare un picco, né abbastanza economici da consentire la ricerca a lungo termine o l'applicazione clinica. In un articolo su Biosensors and Bioelectronics, Shi ed il gruppo della Purdue University spiegano come hanno prodotto un sensore flessibile a partire da un inchiostro nanocomposito a base di nanoparticelle di platino, utilizzando la stampa 3D e la microlavorazione laser.

"Volevamo creare un modo molto rapido ed economico per costruire questi sensori, in modo da poter fornire facilmente ai ricercatori un mezzo per misurare i livelli di glutammato in vivo", ha affermato Hugh Lee, professore associato di ingegneria biomedica alla Purdue University, specializzato in microtecnologie impiantabili.

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

Il Prof. Shi spera che il sensore aiuti a determinare il meccanismo alla base delle perdite di glutammato e dell'emicrania, che al momento non è chiaro. "Quanto è grave il problema dell'emicrania? È davvero un eccesso di glutammato a causare il dolore, o è un problema del sistema che lo elimina?", ha affermato.

Il sensore potrebbe essere utile anche per monitorare altre patologie cerebrali. Il morbo di Parkinson e l'Alzheimer sono entrambi associati a livelli elevati di glutammato. La ricerca futura si concentrerà sulla creazione di un modo per i biosensori di autoeliminare le cellule infiammatorie che il sistema immunitario ha incorporato in una capsula fibrosa che ne blocca la sensibilità. Sperano anche di impiantare altri sensori lungo il midollo spinale, per monitorare la diffusione del glutammato e la sua velocità.

ENGLISH

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.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/implants-detect-changes-in-chemical-released-following-spinal-injury?