Grafenteknologi åbner nye horisonter for behandling af sygdom

Innovativ grafenteknologi til at buffere aktiviteten af ​​synapser - dette er ideen bag en nyligt offentliggjort undersøgelse i tidsskriftet ACS Nano koordineret af International School for Advanced Studies in Trieste (SISSA) og Trieste Universitet. I særdeleshed, undersøgelsen viste, hvor effektive grafenoxidflager er til at interferere med excitatoriske synapser, en effekt, der kan vise sig nyttig i nye behandlinger af sygdomme som epilepsi.

Laboratoriet for SISSA's Laura Ballerini i samarbejde med University of Trieste, University of Manchester og University of Castilla-la Mancha, har opdaget en ny tilgang til modulering af synapser. Denne metode kan være nyttig til behandling af sygdomme, hvor den elektriske nerveaktivitet er ændret. Ballerini og Maurizio Prato (Universitetet i Trieste) er de vigtigste efterforskere af projektet inden for det europæiske flagskib om grafen, et vidtrækkende 10-årigt internationalt samarbejde (en milliard euro i finansiering), der studerer innovative anvendelser af materialet.

Traditionelle behandlinger for neurologiske sygdomme omfatter generelt lægemidler, der virker på hjernen eller neurokirurgi. I dag dog grafenteknologien viser lovende for disse typer applikationer, og får øget opmærksomhed fra det videnskabelige samfund. Metoden studeret af Ballerini og kolleger bruger "grafen nano-bånd" (flager), som buffer aktivitet af synapser blot ved at være til stede.

"Vi administrerede vandige opløsninger af grafenflager til dyrkede neuroner under 'kroniske' eksponeringsforhold, gentage operationen hver dag i en uge. Analyse af funktionel neuronal elektrisk aktivitet, vi sporede derefter effekten på synapser" siger Rossana Rauti, SISSA-forsker og førsteforfatter af undersøgelsen.

I forsøgene, størrelsen af ​​flagerne varierede (10 mikron eller 80 nanometer) såvel som typen af ​​grafen:i én tilstand blev grafen brugt, i en anden, grafenoxid. "Buffereffekten på synaptisk aktivitet sker kun med mindre flager af grafenoxid og ikke under andre forhold, " siger Ballerini.  "Effekten, i det system vi testede, er selektiv for de excitatoriske synapser, mens det er fraværende i hæmmende"

Et spørgsmål om størrelse

Hvad er oprindelsen af ​​denne selektivitet? "Vi ved, at grafen i princippet ikke interagerer kemisk med synapser på en væsentlig måde - dets virkning skyldes sandsynligvis blot tilstedeværelsen af ​​synapser, " forklarer SISSA-forsker og en af ​​undersøgelsens forfattere, Denis Scaini. "Vi har endnu ikke direkte beviser, men vores hypotese er, at der er en forbindelse med den subcellulære organisation af det synaptiske rum."

En synapse er et kontaktpunkt mellem en neuron og en anden, hvor det nervøse elektriske signal "springer" mellem en præ- og postsynaptisk enhed. Der er et lille hul eller diskontinuitet, hvor det elektriske signal "oversættes" af en neurotransmitter og frigives ved præ-synaptisk terminering ind i det ekstracellulære rum og reabsorberes af det postsynaptiske rum, at blive oversat igen til et elektrisk signal. Adgangen til dette rum varierer afhængigt af typen af ​​synapser:"For de excitatoriske synapser, strukturens organisation tillader højere eksponering for interaktionen mellem grafenflager, i modsætning til hæmmende synapser, som er mindre fysisk tilgængelige i denne eksperimentelle model, " siger Scaini.

Et andet fingerpeg om, at afstand og størrelse kan være afgørende i processen, findes i observationen af, at grafen kun udfører sin funktion i den oxiderede form. "Normal grafen ligner et strakt og stift ark, mens grafenoxid ser krøllet ud, og dermed muligvis favorisere grænsefladen med det synaptiske rum, " tilføjer Rauti.

Administration af grafenflageopløsninger efterlader neuronerne levende og intakte. Af denne grund mener holdet, at de kan bruges i biomedicinske applikationer til behandling af visse sygdomme. "Vi kan forestille os at målrette et lægemiddel ved at udnytte de tilsyneladende flagers selektivitet til synapser, dermed målrette direkte mod den grundlæggende funktionelle enhed af neuroner," konkluderer Ballerini.