Pot nanoparticulele spori diferențierea neuronală?

Diferențierea neuronală implică dezvoltarea, creșterea de ramificații, neurite, de la nivelul corpului celular. Studiile au identificat o serie de factori care sunt implicați în această dezvoltare: factori de creștere, neurotransmițători, interacțiunea cu celulele gliale sau cu proteinele matricei extracelulare, implicarea forțelor mecanice sau a factorilor topografici.

Cel mai utilizat model pentru cercetarea acestui proces de diferențiere este reprezentat de linia celulară PC-12, o linie neuroendocrină de celule cu rol în producerea neurotransmițătorilor dopaminergici. Aceste celule, atunci când sunt expuse la NGF (nerve growth factor) in vitro demonstrează următoarele efecte: încetează proliferarea, sporesc procesul de ramificare, devin excitabile din punct de vedere electric, încep să prezinte canale de sodiu și încep să prezinte modificări la nivel intracelular.

Numeroase nanoelemente au fost utilizate pentru a răspunde acestei întrebări a cercetătorilor. Nanoparticulele (NP) de oxid de fier în preajma celulelor din linia celulară PC-12 sporesc apariția fenomenului de ramificare la nivelul corpului celular, în timp ce NP de aur în preajma liniei celulare NG108-15 duc la o creștere a nivelului de diferențiere de până la 25%.

Ipoteza de la care s-a plecat a fost că nanostructurile duc la activarea unuia sau mai multor factori de transcriere care sunt responsabili pentru apariția ramificațiilor la nivelul corpilor celulari. Pentru a demonstra această ipoteză, s-au realizat studii de analiză a expresiei genelor. Ca răspuns la interacțiunea cu NP de oxid de fier s-au observat modificări la nivelul genelor asociate cu citoscheletul, moleculele de semnalizare și receptorii pentru creștere.

Pot nanoparticulele spori regenerarea neuronală?

NP magnetice reprezintă cel mai avantajos candidat pentru regenerarea neuronală. Aplicarea tensiunilor mecanice este de foarte mult timp cunoscută ca având un efect major în dezvoltarea și morfogeneza neuronilor. Ipoteza este că NP magnetice ar putea fi încorporate la nivelul celulelor, iar la aplicarea unor forțe mecanice, ele ar putea întinde membrana plasmatică a celulelor, inițiind elongarea și ghidându-le către o țintă.

Primul studiu de acest fel a demonstrat migrarea unor celule Schwann încărcate cu NP magnetice de oxid de fier către o direcți predefinită. Un alt studiu a folosit același tip de NP alături de NGF, dar pe celule din linia PC-12, și a reușit să obțină rezultate favorabile.

Pentru determinarea efectelor NP de Ag asupra regenerării neuronale, au fost cultivate celule SH-SY5Y, celule de neuroblastom uman, pe o suprafață cu astfel de particule. NP de argint au sporit apariția prelungirilor de trei ori mai mult decât în culturile unde nu au existat NP și de două ori mai mult decât în cazul celulelor care au crescut pe un substrat omogen de argint, iar elongarea acestora a fost sporită. Combinând aceste rezultate cu efectul lor antibacterian, se demonstrează că eliberarea de peptide antibacteriene crește nivelul de regenerare la nivelul SNC rănit.

O altă abordare care ar putea duce la creșterea nivelului de regenerare neuronală, este reprezentată de utilizarea conjugării NP de oxid de fier cu un factor fibroblastic de creștere. Acest factor are potențial terapeutic ridicat pentru regenerarea țesuturilor afectate, chiar și a țesutului nervos, dar are un timp de înjumătățire foarte scurt in vivo (3-10 min ). Incubarea unor celule olfactive cu NP conjugate cu factor de creștere au demonstrat o îmbunătățire semnificativă în creșterea celulară comparativ cu incubarea celulelor cu o concentrație de cinci ori mai mare de factor fără ca NP să fie prezente.

Supraviețuirea neuronilor și neuroprotecția sunt de asemenea afectate de nanoparticule. Expunerea unor celule din măduva spinării de la șoarece la NP de oxid de ceriu a dus la îmbunătățirea ratei acestora de supraviețuire în cultură. Celulele au primit o singură doză de NP la momentul în care au fost puse în cultură. Acestea au fost verificate în ziua 15 și 30 și, ca rezultat al celor două verificări, s-a indicat un nivel scăzut de celule care au murit comparativ cu controlul. Autorii acestui studiu susțin că prezența valențelor diferite de ceriu ( Ce3+ și Ce4+) pe suprafața nanoparticulelor joacă rolul unor antioxidanți care au rolul de a înlătura radicalii liberi din cultură, ducând la supraviețuirea celulelor o perioadă mai lungă de timp.

Pot nanoparticulele modifica activitatea electrică a neuronilor?

NP metalice au proprietate de conduce curentul electric și sunt capabile să interacționeze cu neuronii. Au fost realizate studii la nivelul canalelor de sodiu și potasiu de la nivelul neuronilor din hipocamp, prin tehnica de patch-clamp. În urma incubării cu NP de oxid de zinc a neuronilor din hipocamp la șoarece s-a demonstrat că: curenții de sodiu și potasiu au fost sporiți (creșterea numărului de canale de sodiu deschise, blocarea canalelor de potasiu, acumulare intracelulară de sodiu, pierdere masivă de potasiu ce duce la creșterea excitabilității neuronilor).

Un alt grup de studiu a declarat că prezența nanoparticulelor de aur la nivel intracelular duce la o creștere a potențialelor de acțiune, iar intensitatea acestora a fost corelată direct cu dimensiunea nanoparticulelor.

În concluzie, înțelegerea modului în care nanoparticulele interacționează cu celulele nervoase poate să aducă un suport important în studiile de regenerare tisulară și poate contribui la dezvoltarea de noi metode de diagnostic. Studiile demonstrează sensibilitatea rezultatului interacțiunii cu caracteristicile nanoparticulelor de interes, iar dozele sunt un parametru critic ce trebuie considerat, depășirea lor poate face diferența între efectul terapeutic și cel toxic.

Existența numeroaselor metode de manipulare a regenerării neuronale pe baza nanoparticulelor a fost prezentată, dar trebuie să se ia în calcul locația și accesibilitatea țintei care se dorește tratată (sistem nervos central - sistem nervos periferic).

Bibliografie

  1. 1. Nanometric agents in the service of neuroscience: Manipulation of neuronal growth and activity using nanoparticles- Pazit Polak, PhD, Orit Shefi, PhD, Nanomedicine Journal, 2015
  2. 2. Zhang K, Osakada Y, Xie W, Cui B. Automated image analysis for tracking cargo transport in axons. Microsc Res Tech 2011;74:605-13
  3. 3. Jung S, Bang M, Kim BS, Lee S, Kotov NA, Kim B, et al. Intracellular gold nanoparticles increase neuronal excitability and aggravate seizure activity in the mouse brain. PLoS One 2014;9:e91360

EU e-Privacy Directive

Departamentul de Anatomie, fiziologie animala si biofizica

Prof. dr. Dan Florin Mihailescu (director de  departament)

Prof. dr. Alexandru  Babes

Prof. dr. Speranta Avram

Prof. dr. Violeta Ristoiu

Prof. dr. Beatrice Mihaela Radu

Conf. dr. Mihaela Marcu Lapadat

Conf. dr. Dana Cucu

FP

Conf. dr. Florentina Pluteanu

Lect. dr. Doru Gabor

TS photo

Lect. dr. Tudor Selescu

Lect. dr. Cristina Matanie

Alexandru Deftu

Asist.dr. Alexandru Deftu

roxana

Asist.dr. Roxana Gheorghe

Cornelia Dragomir

Geanina Haralambie

Liliana Stamatin

Cristina

PozaAcademieLuiza

Prof. dr. Maria Luiza Flonta (profesor emerit)