Regolare i geni con l'elettricità
Un team di ricerca guidato dal professor Martin Fussenegger dell'ETH è riuscito per la prima volta a controllare i geni direttamente con una corrente elettrica. Questo getta le basi per impianti medici che possono essere attivati e disattivati da dispositivi elettronici esterni al corpo.
Un diabetico porta nel corpo un impianto che contiene cellule che producono insulina e un'unità di controllo elettronica. Non appena il paziente mangia qualcosa e la glicemia sale, può inviare un segnale elettrico tramite il proprio smartphone utilizzando un'app, oppure l'app lo fa automaticamente se il piano dei pasti è stato programmato. Poco dopo, le cellule rilasciano la quantità necessaria di insulina, che regola il livello di zucchero nel sangue.
Sembra fantascienza, ma presto potrebbe non esserlo più. I ricercatori guidati da Martin Fussenegger, l'ETH professore di biotecnologia e bioingegneria presso il Dipartimento biosistemi e ingegneria di Basilea, hanno appena pubblicato un nuovo studio sulla rivista scientifica "Studium".pagina esternaScienza" il prototipo di un impianto di questo tipo. ? il primo in cui i geni possono essere attivati e regolati direttamente con segnali elettrici. I ricercatori lo hanno testato sui topi, dove ha funzionato perfettamente.
Gli scienziati di Basilea hanno molta esperienza nello sviluppo di reti genetiche e impianti che rispondono a uno specifico stato fisiologico dell'organismo, come un alto livello di lipidi nel sangue o un basso livello di zuccheri nel sangue. Tali reti reagiscono a segnali biochimici. In alternativa, possono essere controllate esternamente con la luce. "Tuttavia, da tempo desideravamo controllare l'espressione genica direttamente con l'elettricità e questa è la prima volta che ci siamo riusciti", spiega Fussenegger.
Ecco come si presenta: Un circuito stampato e un contenitore di cellule
L'impianto costruito dai ricercatori è composto da diverse parti: Da un lato c'è un circuito stampato con l'elettronica di ricezione e controllo, dall'altro una camera contenente cellule umane. Il circuito stampato è collegato al contenitore delle cellule tramite un cavo.
Un segnale radio proveniente dall'esterno del corpo attiva l'elettronica dell'impianto, che trasmette segnali elettrici direttamente alle cellule. I segnali elettrici stimolano una speciale combinazione di canali del calcio e del potassio, che attivano una cascata di segnali nella cellula che controlla il gene dell'insulina. Il macchinario cellulare impacchetta l'insulina in vescicole che, grazie al segnale elettrico, si fondono con la membrana cellulare e rilasciano l'insulina in pochi minuti.
Internet del corpo all'orizzonte
Martin Fussenegger vede diversi vantaggi in questo nuovo sviluppo. "L'impianto potrebbe essere collegato al cyberspazio": il medico o il paziente possono intervenire direttamente tramite un'app e avviare la produzione di insulina. Questo può essere fatto anche a distanza, via internet, non appena i dati fisiologici vengono trasmessi dall'impianto. "Con un dispositivo come questo, le persone potrebbero essere completamente integrate nel mondo digitale e diventare parte dell'Internet delle cose o addirittura dell'Internet del corpo", afferma l'ETH.
? piuttosto rilassato riguardo al rischio di un attacco hacker. "Le persone già oggi sponsorizzano i pacemaker, che sono teoricamente vulnerabili ma corrispondentemente ben protetti. Dobbiamo implementare questo sistema anche nei nostri impianti", afferma Fussenegger.
Attualmente vede la sfida più grande sul versante genetico. Lui e il suo gruppo devono continuare a ricercare la quantità massima di corrente che può essere utilizzata per evitare danni alle cellule e ai geni. I ricercatori devono inoltre ottimizzare ulteriormente il collegamento tra elettronica e cellule.
Infine, ma non meno importante, i ricercatori devono trovare un nuovo modo per sostituire le cellule nell'impianto in modo più semplice e conveniente. Le cellule utilizzate devono essere sostituite dopo circa tre settimane. I ricercatori hanno collegato due ugelli di riempimento al loro prototipo. Li hanno utilizzati per sostituire le cellule nei loro esperimenti. Tuttavia, Fussenegger e il suo team vogliono sostituire questo sistema con una soluzione più pratica.
Tuttavia, questo sistema deve ancora superare molti test clinici prima di poter essere utilizzato sugli esseri umani.
Riferimento alla letteratura
Krawczyk K et al. Rilascio di insulina cellulare elettrogenetica per il controllo glicemico in tempo reale nei topi diabetici di tipo 1. Science, pubblicazione online 28 maggio 2020, doi: pagina esterna10.1126/science.aau7187