Archivi del mese: ottobre 2013

Comunicazione cervello-cervello negli esseri umani

In questo esperimento, alcuni ricercatori dell’Università di Washington sono riusciti a mettere in comunicazione diretta due cervelli umani, permettendo a un soggetto di giocare a un videogame con le dita di un altro soggetto.

I sensori EEG sono attaccati alla corteccia motoria del primo soggetto in modo da rilevare l’immaginazione motoria (in questo caso il movimento immaginario della mano). Quest’ attività è tradotta e inviata su di una rete di computer grazie a cui si innesca uno Stimolatore Magnetico Transcranico (TMS) che si trova sopra la corteccia motoria del secondo soggetto. Effettivamente il soggetto n°1 immagina di spostare la mano, e la mano del soggetto n°2 si sposta.

[R.P.N. Rao and A. Stocco. Direct Brain-to-Brain Communication in Humans: A Pilot Study. August 12, 2013.]

Link: http://homes.cs.washington.edu/~rao/brain2brain/experiment.html

Objective
We sought to demonstrate that it is possible to send information extracted from one brain directly to another brain, allowing the first subject to cause a desired response in the second subject through direct brain-to-brain communication. A task was designed such that the two subjects could cooperatively solve the task by transmitting a meaningful signal from one brain to the other.  

Methods
Experimental Set-Up
The experiment leverages two existing technologies: electroencephalography (or EEG) for noninvasively recording brain signals from the scalp and transcranial magnetic stimulation (or TMS) for noninvasively stimulating the brain.

Figure 1 illustrates the experimental paradigm. Electrical brain activity from Subject 1 (the “Sender”) is recorded using EEG (Figure 2) in the Neural Systems Laboratory in the Computer Science and Engineering building at UW. This brain activity is interpreted by a computer and is transmitted (when classified as a valid motor imagery signal) over the internet to the TMS machine in the Institute for Learning and Brain Sciences (I-LABS) building at UW. The TMS machine delivers a magnetic stimulation pulse to the left motor brain region of Subject 2 (the “Receiver”), causing the right hand to press a key (Figure 3). 

The Task
The task that the subjects must cooperatively solve via brain-to-brain communication is a computer game (Figure 4). The task involves saving a “city” (on the left) from getting hit by rockets fired by a “pirate ship” from the lower right portion of the screen (depicted by skull-and-bones). To save the city, the subjects must fire a “cannon” located at the lower center portion of the screen. If the “fire” button is pressed before the moving rocket reaches the city, the rocket is destroyed (Figure 5), the city is saved, and the trial ends. To make the task more interesting, on some trials, a friendly “supply plane” may appear instead of a pirate rocket and move leftwards towards the city (Figure 6).  The subjects must avoid firing the cannon at the supply plane. 

Brain-to-Brain Collaboration between the Two Subjects
Only Subject 1 (the “Sender”) watches the game (Figure 2, Sender watching the game screen, which is not shown). The Sender is unable to press the “fire” button which is only available to Subject 2 (the “Receiver”). The Sender can however engage in motor imagery of the right hand (i.e., imagine moving their right hand) – this imagery signal is recognized by the computer and translated to a magnetic stimulation pulse that is delivered to the left motor cortex region of the Receiver. The stimulation causes a quick upward jerk of the Receiver’s right hand, which is resting slighty above the “fire” key on a keyboard (Figure 3). This up-down movement of the hand typically (though not always) results in the “fire” key being hit, causing the cannon in the computer game to be fired as requested by the Sender. If the moving target happens to be the supply plane, the Sender can choose not to fire the cannon at the plane by resting and not engaging in any motor imagery.

Decoding Motor Imagery from EEG
Electrical signals were recorded from the Sender’s scalp using the noninvasive technique of EEG.  We used a USBamp EEG recording system (Guger Technologies, Austria) with gold-plated electrodes placed over the left hemisphere at standard locations under the 10-20 convention (sampling frequency = 256Hz). A Laplacian spatial filter was used to reduce artifacts common to nearby electrodes and emphasize local activity. The power in a low frequency band (the “mu” band) was computed across the electrodes and the electrode most correlated with the subject’s motor imagery during an initial training period was selected as the control electrode for the task. Changes in the “mu” band have long been linked to motor imagery signals and used in BCIs (for an introduction, see [1]).  The computer translated the power in the mu band to upward movement of a cursor (left side of Figure 4). Specifically, right hand imagery typically causes a decrease in power which was mapped to upward movement of the cursor. If the cursor hit the blue circular target at the top, the computer decides that the Sender has engaged in motor imagery and sends a stimulation pulse to the Receiver.

Stimulation using TMS
The Receiver receives information from the Sender via transient noninvasive brain stimulation induced by a rapidly changing magnetic field. The magnetic field is generated by a special coil held over the Receiver’s head and kept in place by an orientable mechanical arm mounted on the Receiver’s chair. This stimulation technique is called Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) and is a well-established noninvasive means to directly influence the activity of a specific spot on the brain’s surface. Note that no electrical pulse is given to the Receiver and stimulation is induced only indirectly through the changing magnetic field. A MagStim Rapid2 model TMS machine was used with a single-pulse TMS protocol. The pulse was delivered though a circle coil at 69% of the machine’s power output. The TMS coil was localized over the part of the Receiver’s brain that controls the wrist and fingers. The Receiver kept one or more fingers on a standard computer keyboard’s space bar (the designated “fire” key). The TMS pulse produced a muscle twitch and upward hand movement, typically resulting in the space bar being hit as a result and firing the cannon in the Sender’s computer game.

Results
The pilot study involved 2 subjects, both researchers involved in the study (R. Rao as “Sender” and A. Stocco as “Receiver”). The pilot study was approved by the University of Washington Institutional Review Board (IRB) within the Human Subjects Division.

Four experimental sessions were conducted, each with 5-7 trials. Session 1 was terminated early due to network communication issues, which were resolved as the subjects waited for the next session. Sessions 2, 3, and 4 witnessed successful transmission of information from the Sender to the Receiver. 

In Sessions 2 and 3, while the Receiver’s performance was highly accurate (~90% success rate in stimulation causing the hand to move and the cannon being fired), the Sender’s performance was closer to chance levels as the subject reported being in the process of learning to generate the appropriate signal (imagery or rest) given the type of target. 

In Session 4, both the Sender and Receiver achieved close to perfect performance (Sender: 100% correct detection and transmission of appropriate signal, Receiver: 100% correct elicitation of hand movement upon stimulation; 1 stimulation not causing the “fire” key to be hit). A portion of the session log is given below (“Missile” = pirate rocket, “Airplane” = su
pply plane) :
2013-08-12 15:47:37.472000: Starting experiment
2013-08-12 15:47:47.549000: Starting trial: Airplane
2013-08-12 15:47:48.008000: arming stimulator by key press
2013-08-12 15:48:04.106000: Missiles hit: 0, Airplanes hit: 0, Attempts: 1
2013-08-12 15:48:14.165000: Starting trial: Missile
2013-08-12 15:48:17.200000: BCI input received.  Sending TMS pulse.
2013-08-12 15:48:19.691000: Shot fired
2013-08-12 15:48:19.691000: Missiles hit: 1, Airplanes hit: 0, Attempts: 2
2013-08-12 15:48:29.757000: Starting trial: Missile
2013-08-12 15:48:30.062000: BCI input received.  Sending TMS pulse.
2013-08-12 15:48:32.417000: Shot fired
2013-08-12 15:48:32.417000: Missiles hit: 2, Airplanes hit: 0, Attempts: 3
2013-08-12 15:48:42.460000: Starting trial: Missile
2013-08-12 15:48:54.340000: BCI input received.  Sending TMS pulse.
2013-08-12 15:49:03.423000: Missiles hit: 2, Airplanes hit: 0, Attempts: 4
2013-08-12 15:49:13.457000: Starting trial: Airplane
2013-08-12 15:49:29.572000: Missiles hit: 2, Airplanes hit: 0, Attempts: 5
2013-08-12 15:49:39.615000: Starting trial: Missile
2013-08-12 15:49:40.910000: BCI input received.  Sending TMS pulse.

Conclusion
The results suggest that information extracted noninvasively from one brain using EEG can be transmitted to another brain noninvasively using TMS to allow two persons to cooperatively solve a task via direct brain-to-brain transfer of information. The next phase of the study will attempt to quantify this transfer of information using a larger pool of human subjects. 

Background and References 

  1. For background on brain-computer interfacing, see: 
  2. For a description of related experiments by other groups, see the recent article: 

 

B2B diagram
Figure 1. Experimental Set-Up. Brain signals from Subject 1 (the “Sender”) were recorded using EEG. When imagined hand movements were detected by the computer, a “fire” command was transmitted over the internet to the TMS machine, which caused an upward movement of the right hand of Subject 2 (the “Receiver”), usually resulting in the “fire” key being hit. 

EEG set up

Figure 2. EEG signals being recorded from Subject 1 (the “Sender”) as the subject watches the computer game (the game screen is to the left and not shown in the picture). The larger screen displays EEG signals processed by the BCI2000 software. The smaller laptop screen placed further away is from the live Skype session and shows Subject 2 in the TMS lab across campus. Researcher Dev Sarma monitors the experiment. (Picture by researcher Bryan Djunaedi) 

TMS set up

Figure 3. Subject 2 (the “Receiver”) with TMS coil placed over left motor cortex region and right hand resting slightly above the “fire” key on  the keyboard. The screen behind the subject shows the Sender’s game screen which is not seen by the Receiver. 

cannon game

Figure 4. Screen shot of the cannon game. A pirate ship on the right side (skull-and-bones) shoots a rocket towards a city on the left. The Sender engages in motor imagery to move the white cursor on the left to hit the blue target.

Target hit

Figure 5. If the Sender is able to use motor imagery to move the white cursor to the circular target (which turns red), a stimulation signal is sent to the Receiver located elsewhere. This stimulation causes a movement of the Receiver’s hand, usually resulting in the “fire” key being hit on the Receiver’s keyboard. This causes the cannon in the Sender’s game to fire and destroy the pirate rocket before it hits the city.

Supply plane

Figure 6. In some trials, a friendly supply plane may move from right to left instead of a pirate rocket. The Sender must in this case rest rather than engage in imagery to make the cursor move away from the blue target and prevent any firing of the cannon at the supply plane.

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Mini-pancreas ottenuto da cellule staminali per lo studio del diabete

Riportiamo questo importante studio, nonostante siano state utilizzate cellule animali, che possono comunque essere sostituite da corrispettive umane:

[Chiara Greggio, Filippo De Franceschi, Manuel Figueiredo-Larsen, Samy Gobaa, Adrian Ranga, Henrik Semb, Matthias Lutolf and Anne Grapin-Botton. Artificial three-dimensional niches deconstruct pancreas development in vitro. Development 2013 140:4452-4462.]

Full Text: http://dev.biologists.org/content/140/21/4452.full

Abstract:

Nel contesto di una terapia cellulare per il diabete, i metodi espansione di un progenitore del pancres e la conseguente differenziazione in cellule-beta produttrici di insulina sono di enorme valore. Qui stabiliamo condizioni di colture tridimensionali in Matrigel che rendono possibile un’efficace espansione di progenitori embrionali dissociati di pancreas del topo. Manipolando la composizione dell’elemento generiamo sia sfere vuote, che sono principalmente composte da progenitori del pancreas, o organoidi complessi che spontaneamente subiscono una morfogenesi e differenziazione pancreatica. Il mantenimento e l’espansione in vitro di progenitori del pancreas richiedono vie di segnalazione Notch e FGF attive, ricapitolando così le interazioni evidenziate in vivo. I nostri esperimenti dimostrano nuovi aspetti sullo sviluppo del pancreas, come l’effetto comunità secondo il quale piccoli gruppi di cellule mantengono meglio le proprietà di progenitore e si espandono in modo più efficente rispetto a cellule isolate, così come il requisito della tridimensioanltà. Per ultimo, le condizioni di crescita in biomateriali chimicamente definiti aprono la strada per testare le proprietà biofisiche e biochimiche della nicchia che sostiene i progenitori del pancreas.

Traduzione di [E.D.C.]

Progetto InLiveTox: Bioreattori Multicompartimentali e Nanoparticelle

Immagine

Il progetto InLiveTox, che è stato finanziato dall’UE nel corso degli ultimi tre anni, ha fatto progredire in modo significativo l’efficienza degli esperimenti in vitro sulle nanoparticelle. Il progetto si è concentrato sull’impatto dell’esposizione alle nanoparticelle su intestino, sistema cardiovascolare e fegato. L’esposizione mediante ingestione è particolarmente importante a causa dell’inclusione delle nanoparticelle in alimenti, imballaggi alimentari e medicine somministrate per via orale. 

Il progetto ha sviluppato un nuovo sistema modulare di test in vitro basato sulla fluidica e ha dimostrato il suo uso per modellare la risposta di tessuti selezionati all’ingestione di nanoparticelle. I risultati ottenuti dal sistema in vitro sono stati convalidati da uno studio in vivo su biocinetica e tossicità delle nanoparticelle mediante ingestione nei ratti. Dei tessuti di questi animali sono stati usati per studiare le reazioni tossicologiche, concentrandosi nuovamente su intestino, sistema cardiovascolare e fegato. Questi dati sono stati poi confrontati con altri studi biocinetici effettuati usando particelle simili, ma altre vie di esposizione (ad es. le vie aeree). Il confronto dei dati è stato ottenuto in vivo sull’esposizione mediante iniezione e ingestione con dati ottenuti da saggi standard (tipo statico a singola cellula). Il sistema sviluppato ha mostrato un notevole schema di differenze e similarità, in particolare durante lo studio delle infiammazioni. Vi erano differenze nette nella pertinenza fisiologica dei differenti approcci. 

Questo significa che i risultati del progetto InLiveTox potrebbero avere il potenziale per cambiare il modo in cui i settori farmaceutico, chimico, cosmetico e alimentare testano sicurezza ed efficienza dei nuovi materiali. I metodi migliorati potrebbero apportare significativi benefici economici sia mediante la riduzione dei costi dei test se confrontati all’uso di animali, ma anche mediante l’opportunità di portare sul mercato prodotti più sicuri in modo più veloce rispetto ai metodi attuali, soddisfacendo allo stesso tempo la legislazione REACH. 

La tecnologia sviluppata in questo progetto potrebbe fornire un significativo vantaggio a chi la adotterà da subito. Essa può essere usata come strumento di test e ricerca in tossicologia e farmacologia per qualsiasi nuova entità chimica. I risultati del progetto hanno superato in molti modi le aspettative, fornendo una tecnologia eccitante e innovativa che ha il potenziale per sostenere gli sviluppi di nuovi prodotti nel settore dei test in vitro. A livello macro, il progetto conferma la posizione competitiva in campo internazionale che gli enti di ricerca europei occupano nel settore in rapido sviluppo dei test in vitro. 

Il consorzio è un gruppo interdisciplinare composto dai leader europei in nanotossicologia, farmacia e ingegneria a livello europeo, assieme a un importante gruppo di ricerca americano proveniente dalla University of Rochester nell’ambito dell’invito FP7-NMP-2008-1.3-2 del 7° PQ.

Per maggiori informazioni, visitare: 

Progetto InLiveTox 
http://www.inlivetox.eu/

Tratto da: http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=IT_NEWS&ACTION=D&SESSION=&RCN=35512

Dal dossier finale:

[…] At a meso level, the results of the InLiveTox project have the potential to change the way that the pharmaceutical, chemical, cosmetic and food sectors of industry are testing the safety and efficiency of new materials. The improved methods could deliver significant economic benefits both through reduction of testing costs compared to the use of animals, but also through the opportunity to bring safer products to market faster than existing methods. The technology developed in the project could provide a significant competitive advantage to the early adopters.

At a macro level, the project confirms the internationally competitive position that Europe‟s research organisations hold in the fast developing field of in vitro testing. A report by the US National Research Council in 2007 entitled “Toxicity Testing in the 21st Century” outlined the scale of the challenges and suggested a 15 year time scale for the replacement of many animal testing methods by in-vitro techniques.

The WYSS Institute in Boston, USA, has recently been granted $26 million for a project to develop a „lab-on-a-chip‟ solution to toxicity testing. The capability demonstrated by the InLiveTox project shows that EU researchers could be leaders in this field, if they are able to secure similar levels of funding.

The motivation for such an investment is the size of the existing (£1.8 billion) market for drug toxicity testing and also the emerging (£2 billion) market for the testing of chemicals to comply with REACH legislation.

Any change in methodology for the testing of new drugs will require regulatory approval. The regulatory bodies (ECVAM, FDA etc) are justifiably cautious in approving new methods.
However the cornerstone to any change is sound science and the work of the InLiveTox team has demonstrated the capability of European research organisations to make significant progress.

[ http://www.inlivetox.eu/uploads/media/InLiveTox-Final_publishable_report.pdf ]

Progetto ESNATS: sostituire gli animali con cellule staminali embrionali

Sostituire la sperimentazione animale con accurate innovazioni in vitro.

Nel testo:

“È importante sottolineare che l’ESNATS ha dimostrato che questi sistemi di test umani offrono prove più accurate rispetto ai test sugli animali”

An EU-funded project has successfully established human stem cell-based in vitro tests, which are capable of replicating the development of the human central nervous system. The innovation could lead to the more accurate and efficient testing of drugs, and importantly lead to a move away from animal testing.
The Embryonic Stem cell-based Novel Alternative Testing Strategies (ESNATS) project’s objective was to develop a novel toxicity test platform based on embryonic stem cells (ESCs). A proof of concept study demonstrated that compounds causing developmental neurotoxicity were successfully identified in these systems. The breakthrough could accelerate drug development, reduce related R&D costs and propose a powerful alternative to animal tests.

– Il progetto quinquennale è stato completato alla fine di settembre 2013. Si è tenuta recentemente una conferenza con la Società Europea per le Alternative ai Test Animali ( EUSAAT ), Congresso a Linz, in Austria, al fine di condividere i principali risultati del progetto e discutere le possibili implicazioni per il futuro.

– Evitare i composti che causano tossicità riproduttiva è di fondamentale importanza per la sicurezza umana. Tuttavia, i test di tossicità riproduttiva sono anche uno dei campi più difficili e costosi della tossicologia. Un numero importante di animali è richiesto lo sviluppo dei farmaci – infatti, servono centinaia di animali per testare un singolo composto.

– Per far fronte a questo, l’ESNATS ha sviluppato una gamma di test di tossicità usando ESCs sottoposti a cultura standardizzata e protocolli di differenziazione. Queste diverse prove riguardano la tossicità riproduttiva, la neurotossicità, il metabolismo e la tossicocinetica. L’obiettivo era quello di sviluppare un sistema integrato di prova “all in one “.

– È importante sottolineare che l’ESNATS ha dimostrato che questi sistemi di test umani offrono prove più accurate rispetto ai test sugli animali.

(tratto da LIMAV: https://www.facebook.com/photo.php?fbid=637348702976507&set=pb.555022877875757.-2207520000.1382211907.&type=3&theater)

Il miglior modello per l’Uomo è l’Uomo: il Microdosing

[Seymour M. The best model for humans is human — how to accelerate early drug development safely. Altern Lab Anim. 2009 Sep;37 Suppl 1:61-5.]

Microdosing Proves Superior to Animal Drug Tests

Full Text: http://www.frame.org.uk/atla_article.php?art_id=1205&pdf=true

Abstract:

Tradizionalmente, la scelta di quali composti sono candidati ideali da portare avanti nello sviluppo si è basata soprattutto sui dati pre-clinici. Tuttavia, la mancanza di predittività della situazione clinica umana nei modelli utilizzati ha portato a decisioni di scarso valore, aggravate dal fatto che più tardi nello sviluppo questi errori vengono realizzati, più costosa e dispendiosa in termini di tempo è la loro correzione. 
Inoltre, composti che potrebbero essere stati sviluppati in farmaci, sono stati abbandonati a causa della scarsa farmacocinetica nei modelli animali.
La spettrometria di massa con acceleratore (AMS) è una tecnica di rivelazione ultrasensibile che può essere usata per quantificare il carbonio 14. Con la somministrazione di piccole quantità di sostanze marcate con il carbonio-14 l’AMS può essere utilizzato per ottenere dati clinici umani nelle fasi iniziali del processo di sviluppo dei farmaci. Tali studi : a) possono essere utili per capire la farmacocinetica umana utilizzando la tecnica del microdosing; b) sono in grado di fornire informazioni sul metabolismo umano, per convalidare la scelta delle specie animali usate nei test di sicurezza pre-clinica e identificare metaboliti umani unici o sproporzionati durante la fase 1, e c) sono in grado di fornire dati di farmacocinetica umani fondamentali, tra i quali la biodisponibilità assoluta, favorendo uno scientificamente ottimale e conveniente design di studio. Avere a disposizione questi dati clinici il prima possibile potrà portare a migliorare il processo decisionale e quindi di ridurre i tempi e i costi coinvolti nel processo di sviluppo dei farmaci.

Modello in vitro di Cheratocono

[Karamichos D, Zareian R, Guo X, Hutcheon AE, Ruberti JW, Zieske JD. Novel in Vitro Model for Keratoconus Disease. J Funct Biomater. 2012 Nov 13;3(4):760-775.]

Full Text: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3719435/

Abstract:

Keratoconus is a disease where the cornea becomes cone-like due to structural thinning and ultimately leads to compromised corneal integrity and loss of vision. Currently, the therapeutic options are corrective lenses for early stages and surgery for advanced cases with no in vitro model available. In this study, we used human corneal fibroblasts (HCFs) and compared them to human Keratoconus fibroblasts (HKCs) cultured in a 3-dimensional (3D) model, in order to compare the expression and secretion of specific extracellular matrix (ECM) components. For four weeks, the cells were stimulated with a stable Vitamin C (VitC) derivative ± TGF-β1 or TGF-β3 (T1 and T3, respectively). After four weeks, HKCs stimulated with T1 and T3 were significantly thicker compared with Control (VitC only); however, HCF constructs were significantly thicker than HKCs under all conditions. Both cell types secreted copious amounts of type I and V collagens in their assembled, aligned collagen fibrils, which increased in the degree of alignment upon T3 stimulation. In contrast, only HKCs expressed high levels of corneal scarring markers, such as type III collagen, which was dramatically reduced with T3. HKCs expressed α-smooth muscle actin (SMA) under all conditions in contrast to HCFs, where T3 minimized SMA expression. Fast Fourier transform (FFT) data indicated that HKCs were more aligned when compared to HCFs, independent of treatments; however, HKC’s ECM showed the least degree of rotation. HKCs also secreted the most aligned type I collagen under T3 treatment, when compared to any condition and cell type. Overall, our model for Keratoconus disease studies is the first 3D in vitro tissue engineered model that can mimic the Keratoconus disease in vivo and may be a breakthrough in efforts to understand the progression of this disease.

Modello in vitro di diabete con i Bioreattori Multicompartimentali Modulari (McmB)

“Dai laboratori dell’Università di Pisa arriva uno studio innovativo per aiutare a prevenire le malattie metaboliche: grazie a una ricerca interdisciplinare condotta da Arti Ahluwalia, professoressa di Bioingegneria, e dal suo gruppo del Centro di Ricerca Interdipartimentale “E. Piaggio”, è stato riprodotto in vitro il primo modello di diabete. “Nel nostro esperimento abbiamo riprodotto in vitro molte delle alterazioni caratteristiche del metabolismo umano, simulando lo stress a cui sono sottoposti gli organi a causa del diabete”, spiega Arti Ahluwalia. “Il sistema ha risposto come il corpo umano, mostrando gli stessi segni di danno che compaiono al livello sistemico e nel tessuto vascolare in presenza della malattia”.

I risultati della ricerca, pubblicati sulla rivista PLoS ONE nell’articolo “Glucose and Fatty Acid Metabolism in a 3 Tissue In-Vitro. Model Challenged with Normo- and Hyperglycaemia”, sono di grande rilievo non solo per lo studio delle malattie dismetaboliche (tra cui l’obesità), ma quanto per le sue potenziali applicazioni allo studio di altre patologie e quindi alla realizzazione di nuovi modelli fisiopatologici. Si aprono così una serie di possibilità d’indagine nella ricerca di segnali tissutali integrati, che fino ad oggi era stata ritenuta impossibile in vitro. La ricerca ha visto l’utilizzo dell’innovativo sistema di coltura cellulare Quasi-Vivo®, che nel frattempo è stato concesso in licenza alla Kirkstall Ltd. Tutti gli esperimenti sono stati condotti dalla dottoressa Bruna Vinci, durante il suo dottorato e il suo post-doc, dividendo la sperimentazione e trascorrendo il suo tempo tra i laboratori dell’Università di Pisa.

Nello studio descritto, sono stati coltivati insieme tre tipi di cellule derivanti da altrettanti tessuti attivi e responsivi al metabolismo di substrati energetici e molecole secondarie (cellule da tessuto epatico, tessuto adiposo e cellule da tessuto endoteliale). Le cellule e i tessuti, posti in un sistema di coltura a “tre comparti separati” comunicanti e collegati grazie un flusso di un mezzo di coltura comune, sono stati sottoposti a condizioni simulanti sia stati fisiologici che patologici post-prandiali (ad es. normo- e iperglicemia da alimentazione). I risultati sono stati sorprendenti perché hanno dimostrano che una cultura multipla di tessuti collegati secondo schemi razionali e in scala allometrica, può simulare e riassumere (in maniera semplificata) molte delle alterazioni caratteristiche del metabolismo umano in sovraccarico nutrizionale, come ad esempio l’infiammazione sistemica e danno vascolare.

Le malattie metaboliche sono spesso legate a un eccesso di tessuto adiposo. 3Queste patologie sono la prima causa di morbilità e mortalità nel nostro paese in un progressivo aumento legato all’innalzamento della vita media della popolazione. Il diabete, come altre malattie metaboliche è multifattoriale; ha natura infiammatoria, genetica ed epigenetica, ed è diventata una malattia fortemente penalizzante per la qualità e la durata della vita poiché crea complicazioni decise prevalentemente a carico dell’apparato cardio-circolatorio.

Là dove la prevenzione delle malattie metaboliche è insufficiente, cresce l’impegno per il miglioramento del suo trattamento specifico nella prospettiva di una medicina sempre più mirata e personalizzata. Gli sforzi scientifici s’indirizzano verso modelli di studio in vitro sempre più complessi e vivosimilari, avvalendosi di nuove tecnologie capaci d’integrare principi di natura diversa. Questi sforzi permettono di individuare le interazioni tra i vari tessuti e il ruolo specifico di ogni organo nella omeostasi metabolica. Inoltre, permettono di abbattere l’utilizzo di animali per il testing di farmaci e come modelli di patologie umane, da cui è nota la difficoltà e imprecisione a estrapolare alla casistica umana.”

Preso da: http://www.intoscana.it/intoscana2/opencms/intoscana/sito-intoscana/Contenuti_intoscana/Canali/Salute/visualizza_asset.html?id=1140905

Riportiamo, in aggiunta, l’abstract della ricerca:

Nutrient balance in the human body is maintained through systemic signaling between different cells and tissues. Breaking down this circuitry to its most basic elements and reconstructing the metabolic network in-vitro provides a systematic method to gain a better understanding of how cross-talk between the organs contributes to the whole body metabolic profile and of the specific role of each different cell type. To this end, a 3-way connected culture of hepatocytes, adipose tissue and endothelial cells representing a simplified model of energetic substrate metabolism in the visceral region was developed. The 3-way culture was shown to maintain glucose and fatty acid homeostasis in-vitro. Subsequently it was challenged with insulin and high glucose concentrations to simulate hyperglycaemia. The aim was to study the capacity of the 3-way culture to maintain or restore normal circulating glucose concentrations in response to insulin and to investigate the effects these conditions on other metabolites involved in glucose and lipid metabolism. The results show that the system’s metabolic profile changes dramatically in the presence of high concentrations of glucose, and that these changes are modulated by the presence of insulin. Furthermore, we observed an increase in E-selectin levels in hyperglycaemic conditions and increased IL-6 concentrations in insulin-free-hyperglycaemic conditions, indicating, respectively, endothelial injury and proinflammatory stress in the challenged 3-way system.

[Iori E, Vinci B, Murphy E, Marescotti MC, Avogaro A, et al. (2012) Glucose and Fatty Acid Metabolism in a 3 Tissue In-Vitro Model Challenged with Normo- and Hyperglycaemia. PLoS ONE 7(4): e34704]