Creazione di un modello 3D dettagliato della sinapsi per studiare le malattie neurodegenerative
Un team di scienziati ha sviluppato uno dei modelli 3D più dettagliati della sinapsi, il punto cruciale in cui i neuroni comunicano tra loro attraverso lo scambio di segnali chimici. Questi modelli, di dimensioni nanometriche, aiuteranno gli scienziati a comprendere e studiare meglio le malattie neurodegenerative come la malattia di Huntington e la schizofrenia.
Il nuovo studio e la sua importanza
Il nuovo studio, pubblicato sulla rivista PNAS, è stato condotto da un team guidato da Steve Goldman, MD, Ph.D., co-direttore del Center for Translational Neuromedicine presso l’Università di Rochester e l’Università di Copenhagen. I risultati rappresentano un significativo traguardo tecnico che permette ai ricercatori di studiare le diverse cellule che convergono nelle singole sinapsi con un livello di dettaglio mai raggiunto prima.
La struttura della sinapsi
“È una cosa comprendere la struttura della sinapsi dalla letteratura, ma è un’altra vedere la precisa geometria delle interazioni tra singole cellule con i propri occhi”, ha dichiarato Abdellatif Benraiss, Ph.D., professore associato di ricerca nel Center for Translational Neuromedicine e co-autore dello studio. “La capacità di misurare questi ambienti estremamente piccoli è un campo giovane e ha il potenziale di far avanzare la nostra comprensione di una serie di malattie neurodegenerative e neuropsichiatriche in cui la funzione sinaptica è disturbata.”
La tecnica utilizzata
I ricercatori hanno utilizzato la nuova tecnica per confrontare i cervelli di topi sani con quelli di topi portatori del gene mutante che causa la malattia di Huntington. Ricerche precedenti nel laboratorio di Goldman hanno dimostrato che gli astrociti disfunzionali svolgono un ruolo chiave nella malattia. Gli astrociti sono membri di una famiglia di cellule di supporto nel cervello chiamate glia e aiutano a mantenere l’ambiente chimico corretto alla sinapsi.
Il confronto tra cervelli sani e malati
I ricercatori si sono concentrati sulle sinapsi che coinvolgono i neuroni motori spinosi medi, la cui perdita progressiva è un segno distintivo della malattia di Huntington. Prima di tutto, hanno dovuto identificare le sinapsi nascoste all’interno del groviglio delle tre diverse cellule che convergono nel sito: l’assone pre-sinaptico da un neurone distante; il suo bersaglio, il neurone motore spinoso medio post-sinaptico; e i processi di fibra di un astrocita vicino.
Il processo di identificazione
Per farlo, gli investigatori hanno utilizzato virus per assegnare tag fluorescenti separati agli assoni, ai neuroni motori e agli astrociti. Hanno poi rimosso i cervelli, immaginato le aree di interesse attraverso la microscopia multifotonica, e utilizzato una tecnica chiamata branding infrarosso che impiega laser per creare punti di riferimento nel tessuto cerebrale, permettendo ai ricercatori di ritrovare successivamente le cellule di interesse.
L’analisi del tessuto cerebrale
Il team ha poi esaminato il tessuto cerebrale utilizzando un microscopio elettronico a scansione seriale a faccia di blocco situato presso l’Università di Copenhagen, uno strumento di ricerca creato per studiare le strutture più piccole del cervello. Il dispositivo utilizza un coltello di diamante per rimuovere e immaginare in serie fette ultra-sottili di tessuto cerebrale, creando modelli 3D, a scala nanometrica, delle cellule etichettate e delle loro interazioni alla sinapsi.
Le scoperte e le implicazioni future
Nel cervello dei topi sani, il team ha osservato che i processi astrocitici interagivano con e avvolgevano completamente lo spazio attorno alla sinapsi a forma di disco, creando un legame stretto. Al contrario, gli astrociti nei topi con la malattia di Huntington non erano altrettanto efficaci nell’investire o nel sequestrare la sinapsi, lasciando ampi spazi. Questo difetto strutturale permette al potassio e al glutammato – sostanze chimiche che regolano la comunicazione tra le cellule - di fuoriuscire dalla sinapsi, potenzialmente interrompendo la normale comunicazione cellula-cellula.
La disfunzione astrocitica e altre condizioni
La disfunzione astrocitica è stata associata ad altre condizioni, tra cui la schizofrenia, la sclerosi laterale amiotrofica e la demenza frontotemporale. I ricercatori ritengono che questa tecnica potrebbe migliorare notevolmente la nostra comprensione della base strutturale precisa di queste malattie. In particolare, sottolineano che questa tecnica potrebbe essere utilizzata per valutare l’efficacia delle strategie di sostituzione cellulare, che sostituiscono le cellule gliali malate con quelle sane, per il trattamento di queste malattie.
Conclusioni
In sintesi, la creazione di un modello 3D dettagliato della sinapsi rappresenta un passo avanti significativo nello studio delle malattie neurodegenerative. Questa nuova tecnica potrebbe migliorare la nostra comprensione delle malattie come la malattia di Huntington e la schizofrenia, e potrebbe essere utilizzata per valutare l’efficacia delle strategie di sostituzione cellulare nel trattamento di queste condizioni.