Grafeennanodeeltjes en hun invloed op neuronen

Effectief, specifiek, met een omkeerbare en niet-schadelijke werking: de identikit van het perfecte biomateriaal lijkt overeen te komen met grafeenvlokken, het onderwerp van een nieuwe studie uitgevoerd door SISSA – International School for Advanced Studies of Trieste, Catalan Institute of Nanoscience en Nanotechnologie (ICN2) van Barcelona en het National Graphene Institute van de Universiteit van Manchester, als onderdeel van het European Graphene Flagship-project. Dit nanomateriaal heeft het vermogen aangetoond om op een zeer specifieke manier te interageren met de functies van het zenuwstelsel bij gewervelde dieren, waardoor de opbouw van een pathologisch proces dat tot angstgerelateerd gedrag leidt, wordt onderbroken.

“We hebben eerder aangetoond dat wanneer grafeenvlokken aan neuronen worden afgegeven, ze spontaan interfereren met prikkelende synapsen door tijdelijk te voorkomen dat glutamaat vrijkomt uit presynaptische uiteinden”, zegt Laura Ballerini van SISSA, de leider van het team dat de onderzoeksstudie uitvoerde. amygdala disfunctionele synaptische plasticiteit en keert langdurig angstgedrag bij ratten terug, “onlangs gepubliceerd in Biomaterialen​

Onderzoekers onderzochten of een dergelijke vermindering van synaptische activiteit voldoende was om gerelateerd gedrag te wijzigen, in het bijzonder de pathologische gedragingen die zich ontwikkelen als gevolg van een voorbijgaande en gelokaliseerde hyperfunctie van prikkelende synapsen. Deze benadering zou de strategie van selectieve en tijdelijke targeting van synapsen versterken om de ontwikkeling van hersenpathologieën te voorkomen door gebruik te maken van de zogenaamde precieze medicamenteuze behandelingen.

Om deze hypothese te testen, concentreerde het team zich op posttraumatische stressstoornis (PTSD) en voerde het de experimenten uit in twee fasen, in vivo en in vitro.

“We analyseerden defensief gedrag dat bij ratten wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van een roofdier, waarbij we de blootstelling aan kattengeur gebruiken om een ​​aversief geheugen op te wekken”, legt Audrey Franceschi Biagioni van SISSA, de eerste auteur van het onderzoek, uit. “ Als de rat wordt blootgesteld aan de geur van roofdieren, reageert hij verdedigend, en deze ervaring staat zo goed in het geheugen gegrift dat wanneer het dier zelfs zes dagen later in dezelfde context wordt geplaatst, het dier zich de geur herinnert. van het roofdier en handelt hetzelfde beschermende gedrag. Dit is een bekend en geconsolideerd model dat we hebben gebruikt om stressgedrag te reproduceren. Blootstelling aan het roofdier kan neuronale verbindingen wijzigen – een fenomeen dat technisch bekend staat als plasticiteit – en activiteit in een specifiek gebied van de amygdala dat daarom het doel van onze studie vertegenwoordigde om de effecten van het nanomateriaal te testen. “

Laura Ballerini voegt hieraan toe: “We veronderstelden dat grafeenvlokken waarvan we hebben aangetoond dat ze tijdelijk prikkelende synapsen remmen (zonder ontsteking, schade aan neuronen of andere bijwerkingen te veroorzaken) in de laterale amygdala kunnen worden geïnjecteerd wanneer de plasticiteit die met het geheugen is geassocieerd, wordt geconsolideerd. Als het nanomateriaal was efficiënt in het blokkeren van prikkelende synapsen, het zou plasticiteit moeten remmen en de angstgerelateerde respons moeten verminderen.En dit is wat er gebeurde: de dieren die grafeenvlokken kregen toegediend, ‘vergaten’ na zes dagen de angstgerelateerde reacties, waardoor hun gedrag werd gered. “

Het tweede deel van het onderzoek is in vitro uitgevoerd. “In vivo konden we alleen gedragsveranderingen waarnemen en konden we de impact van de grafeenvlokken op synapsen niet evalueren”, legt Giada Cellot uit, onderzoeker bij SISSA en eerste auteur van de studie samen met Audrey Franceschi Biagioni. “In vitro-experimenten lieten toe om aan een vereenvoudigd model te werken, om inzicht te krijgen in de mechanismen waardoor de grafeenvlokken kunnen interageren met neuronen. We gebruikten neuronale culturen verkregen uit de amygdala, het gebied van de hersenen waar de stressreactie plaatsvindt, en we merkte op dat de effecten van nanomaterialen specifiek waren voor de prikkelende synapsen en dat een korte blootstelling aan grafeenvlokken de pathologische plasticiteit van de synapsen zou kunnen voorkomen. “

Dankzij deze bevindingen hebben grafeenvlokken hun potentieel getoond als nanotools (biomedische hulpmiddelen samengesteld uit nanomaterialen) die op een specifieke en omkeerbare manier kunnen werken op synaptische activiteit om een ​​pathologisch proces te onderbreken en daarom kunnen ze ook worden gebruikt om medicijnen te vervoeren of voor andere toepassingen op het gebied van precisiegeneeskunde.