“Brain Chip”: Cellule del cervello coltivate su chip per studi sulle malattie neurodegenerative e test farmacologici

Da “Ansa.it – Scienza & Tecnica”:

Le cellule del cervello possono essere ‘coltivate’ all’interno di un chip per capire come impazzisce la comunicazione fra loro in caso di malattie neurodegenerative come l’Alzheimer. E’ quanto stanno facendo i ricercatori guidati da Michela Matteoli, direttrice del laboratorio di ‘Biologia cellulare della sinapsi’ dell’università di Milano, in collaborazione con Ibm e l’impresa spin-off NeuroZone.

Se si potesse ‘ascoltare’ quello che accade nel cervello, sentiremmo un continuo chiacchiericcio tra i neuroni che si scambiano informazioni lungo la fitta rete di collegamenti che li unisce. Su questa comunicazione possono intervenire anche le altre cellule del cervello, gli astrociti e le cellule della microglia, che fino a poco tempo fa si pensava fossero ‘mute’. Quando nel cervello si accumulano sostanze pericolose, come la proteina beta-amiloide che causa l’Alzheimer, questa comunicazione ‘impazzisce’: si scatena l’infiammazione e di conseguenza questo può aumentare il danno ai neuroni. Per capire il meccanismo di questo processo che porta alla malattia, l’equipe di Michela Matteoli ha creato ”un dispositivo – spiega l’esperta – che permette di separare fisicamente i diversi tipi cellulari in micro-camere grandi pochi millimetri e collegate da piccoli canali che permettono di tenere sotto controllo il flusso della comunicazione”. Per il momento sono stati creati dei ‘bilocali’ per cellule, piccoli dispositivi a due camere e un corridoio adagiati su chip fatti di polimero PDMS, ma in futuro questi potranno essere resi piu’ complessi e dotati di una componente elettronica per facilitare l”ascolto’ delle cellule, o vvero la registrazione dell’attivita’ dei neuroni.

Intanto i primi esperimenti sono già partiti. ”In una camera coltiviamo i neuroni – continua Matteoli – mentre nell’altra deponiamo a seconda dell’esperimento astrociti o microglia prelevati da varie aree del cervello. Poi applichiamo la proteina beta-amiloide prima in una camera e poi nell’altra e osserviamo cosa accade alle cellule facendo una valutazione completa con tecniche morfologiche, elettrofiosiologiche e di imaging”. 
Questi dispositivi, chiamati ‘Brain Chip’, potranno essere usati in futuro anche per testare i nuovi farmaci appena creati in laboratorio, riducendo i tempi di analisi e abbattendo i costi della ricerca

[Bianco F, Tonna N, Lovchik RD, Mastrangelo R, Morini R, Ruiz A, Delamarche E, Matteoli M. Overflow microfluidic networks: application to the biochemical analysis of brain cell interactions in complex neuroinflammatory scenarios. Anal Chem. 2012 Nov 20;84(22):9833-40. doi: 10.1021/ac302094z. Epub 2012 Nov 8.]

Abstract:

Neuroinflammation plays a central role in neurodegenerative diseases and involves a large number of interactions between different brain cell types. Unraveling the complexity of cell-cell interaction in neuroinflammation is crucial for both clarifying the molecular mechanisms involved and increasing efficacy in drug development. Here, we provide a versatile analytical method for specifically addressing cell-to-cell communication, using primary brain cells, a microfluidic device, and a multiparametric readout approach. Different cell types are plated in separate chambers of a microfluidic network so that culturing conditions can be independently controlled and single cell types can be selectively primed with different stimuli. When chambers are microfluidically connected, the specific contribution of each cell type can be finely monitored by analyzing morphology, vitality, calcium dynamics, and electrophysiology parameters. We exemplify this approach by examining the role of astrocytes derived from two different brain regions (cortex and hippocampus) on neuronal viability in two types of neuroinflammatory insults, namely, metabolic stress and exposure to amyloid β fibrils, and demonstrate regional differences in glial control of neuronal physiopathology. In particular, we show that during metabolic stress, cortical but not hippocampal astrocytes play a neuroprotective role; also, in an exacerbated inflammatory scenario consisting in the exposure to Aβ + IL-1β, hippocampal but not cortical astrocytes play a detrimental role on neurons. Aside from bringing novel insights into the glial role in neuroinflammation, the method presented here represents a promising tool for addressing a wide range of biological and biochemical phenomena, characterized by a complex interaction of multiple cell types.

[Lovchik RD, Bianco F, Tonna N, Ruiz A, Matteoli M, Delamarche E. Overflow microfluidic networks for open and closed cell cultures on chip. Anal Chem. 2010 May 1;82(9):3936-42. doi: 10.1021/ac100771r.]

Abstract:

Microfluidics have a huge potential in biomedical research, in particular for studying interactions among cell populations that are involved in complex diseases. Here, we present “overflow” microfluidic networks (oMFNs) for depositing, culturing, and studying cell populations, which are plated in a few microliters of cell suspensions in one or several open cell chambers inside the chip and subsequently cultured for several days in vitro (DIV). After the cells have developed their phenotype, the oMFN is closed with a lid bearing microfluidic connections. The salient features of the chips are (1) overflow zones around the cell chambers for drawing excess liquid by capillarity from the chamber during sealing the oMFN with the lid, (2) flow paths from peripheral pumps to cell chambers and between cell chambers for interactive flow control, (3) transparent cell chambers coated with cell adhesion molecules, and (4) the possibility to remove the lid for staining and visualizing the cells after, for example, fixation. Here, we use a two-chamber oMFN to show the activation of purinergic receptors in microglia grown in one chamber, upon release of adenosine triphosphate (ATP) from astrocytes that are grown in another chamber and challenged with glutamate. These data validate oMFNs as being particularly relevant for studying primary cells and dissecting the specific intercellular pathways involved in neurodegenerative and neuroinflammatory brain diseases.

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4 risposte a ““Brain Chip”: Cellule del cervello coltivate su chip per studi sulle malattie neurodegenerative e test farmacologici

  1. Ho pubblicato questo articolo su diverse pagine in Facebook. Non essendo uno specialista della microfluidica gradirei mi aiutaste a rispondere a questo pro SA, grazie :
    Purtroppo però il circuito di connettività di queste cellule non è noto: come faccio a simulare il funzionamento dell’area cerebrale X, se non so come è strutturata?
    Le tecniche di simulazione hanno ridotto enormemente il numero di animali usati per la SA e lo ridurranno ancora. Andiamo in quella direzione, ma non ci siamo ancora arrivati.

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    • Ciao!
      Guarda, in primis il trend sull’uso di animali attualmente è in aumento, in secondo luogo tale affermazione è ancora più assurda in quanto questo metodo attualmente non è obbligatorio.
      Inoltre l’obiezione di quel pro-SA non è pertinente, il metodo non vuole simulare il funzionamento di un’area del cervello, non ha niente a che vedere con la conoscenza delle connessioni e quindi con la funzione, ma semplicemente studia l’aspetto cellulare e molecolare.

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  2. Grazie delle mail. Non sempre le comprendo ma quel che capisco è interessante e incoraggiante!

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