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Diabete tipo 1: Utilizzo dello stimolo elettrico per regolare i geni e produrre insulina

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Un team di ricercatori guidato dal professor ETH Martin Fussenegger è riuscito a utilizzare per la prima volta una corrente elettrica per controllare direttamente l’espressione genica. Il loro lavoro fornisce la base per impianti medici che possono essere accesi e spenti utilizzando dispositivi elettronici esterni al corpo.

Ecco come funziona. Un dispositivo contenente cellule produttrici di insulina e un’unità di controllo elettronica viene impiantato nel corpo di un diabetico. Non appena il paziente mangia qualcosa e aumenta la glicemia, possono utilizzare un’app sul proprio smartphone per attivare un segnale elettrico o preconfigurare l’app a farlo automaticamente se il pasto è stato inserito in anticipo. Poco dopo, le cellule rilasciano la quantità necessaria di insulina prodotta per regolare il livello di zucchero nel sangue del paziente.

Questo vi sembrerà fantascienza, ma potrebbe presto diventare realtà. Un team di ricercatori guidato da Martin Fussenegger, professore ETH di biotecnologia e bioingegneria presso il dipartimento di scienze e ingegneria dei biosistemi di Basilea, ha presentato il suo prototipo di tale impianto in un nuovo articolo della rivista Science . Il loro studio è il primo a esaminare in che modo l’espressione genica può essere attivata e regolata direttamente mediante segnali elettrici. Quando hanno testato il loro approccio nei topi, i ricercatori hanno detto che funzionava perfettamente.

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Gli scienziati di Basilea hanno una vasta esperienza nello sviluppo di reti e impianti genetici che rispondono a specifici stati fisiologici del corpo, come livelli di lipidi nel sangue troppo alti o livelli di zucchero nel sangue troppo bassi. Sebbene tali reti rispondano a stimoli biochimici, possono anche essere controllate da influenze esterne alternative come la luce. “Volevamo controllare direttamente l’espressione genica usando l’elettricità da molto tempo; ora ci siamo finalmente riusciti”, afferma Fussenegger.

Un circuito stampato e un contenitore di celle contengono la chiave

L’impianto progettato dai ricercatori è composto da più parti. Da un lato, ha un circuito stampato (PCB) che ospita il ricevitore e l’elettronica di controllo; dall’altro c’è una capsula contenente cellule umane. Il collegamento del PCB al contenitore della cella è un cavo minuscolo.

Un segnale radio dall’esterno del corpo attiva l’elettronica nell’impianto, che quindi trasmette segnali elettrici direttamente alle cellule. I segnali elettrici stimolano una speciale combinazione di canali di calcio e potassio; a sua volta, questo innesca una cascata di segnalazione nella cellula che controlla il gene dell’insulina. Successivamente, il macchinario cellulare carica l’insulina in vescicole che i segnali elettrici provocano la fusione con la membrana cellulare, rilasciando l’insulina in pochi minuti.

Prossimamente: Internet of the Body

Fussenegger vede numerosi vantaggi in questo ultimo sviluppo. “Il nostro impianto potrebbe essere collegato all’universo cyber”, spiega. Medici o pazienti potrebbero utilizzare un’app per intervenire direttamente e innescare la produzione di insulina, cosa che potrebbero anche fare da remoto su Internet non appena l’impianto ha trasmesso i dati fisiologici necessari. “Un dispositivo di questo tipo consentirebbe alle persone di integrarsi pienamente nel mondo digitale e diventare parte dell’Internet of Things – o persino dell’Internet of the Body”, afferma Fussenegger.

Quando si tratta del potenziale rischio di attacchi da parte degli hacker, egli prende una visione di livello: “Le persone indossano già pacemaker teoricamente vulnerabili agli attacchi informatici, ma questi dispositivi hanno una protezione sufficiente. È qualcosa che dovremmo incorporare nei nostri impianti anche “, dice.

Allo stato attuale, la più grande sfida che vede è dal lato genetico delle cose. Per garantire che non siano causati danni alle cellule e ai geni, lui e il suo gruppo devono condurre ulteriori ricerche sulla corrente massima che può essere utilizzata. I ricercatori devono anche ottimizzare la connessione tra l’elettronica e le celle.

E un ultimo ostacolo da superare è trovare un modo nuovo, più semplice e più conveniente per sostituire le cellule utilizzate nell’impianto, cosa che deve essere eseguita circa ogni tre settimane. Per i loro esperimenti, Fussenegger e il suo team di ricercatori hanno attaccato due colli di riempimento al loro prototipo per sostituire le cellule; vogliono trovare una soluzione più pratica.

Prima che il loro sistema possa essere utilizzato nell’uomo, tuttavia, deve comunque superare un’intera serie di test clinici.

Riferimento

Krawczyk K et al. Rilascio di insulina cellulare elettrogenetica per controllo glicemico in tempo reale nei topi diabetici di tipo 1. Science , pubblicazione online avanzata, 28 maggio 2020, doi: 10.1126 / science.aau7187

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