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Neuroscienze

Melanina, un nuovo approccio terapeutico al Parkinson

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Scritto da Maria Grazia Varì

Come può un comune pigmento avere un ruolo nella gestione delle malattie neurodegenerative o guadagnarne uno all’interno del campo biomedico? A tale domanda si cerca di rispondere da moltissimi anni, precisamente dal 1974, quando i ricercatori dell’Università del Texas dimostrarono le capacità semiconduttrici della melanina.

Un semiconduttore è una sostanza che presenta caratteristiche di conduttività elettrica intermedie tra quelle dei conduttori, ad esempio i metalli, e quelle degli isolanti; più precisamente: gli elettroni esterni dei semiconduttori sono fortemente legati a ciascun atomo e hanno scarsissima possibilità di movimento; perché sia possibile la conduzione elettrica è necessario che alcuni di questi elettroni acquistino energia sufficiente a passare da tale livello energetico (banda di valenza) ad un altro in cui sono liberi di muoversi (banda di conduzione). Così, quando un elettrone passa dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lascia libero “un posto”: in presenza di forze elettriche esterne, un altro elettrone andrà ad occupare tale posto, formando quindi una nuova cavità che verrà occupata da un nuovo elettrone e così via, come se ci fosse un continuo moto di elettroni che prendono posto nelle nuove postazioni.

Ebbene, dagli anni ’70 in poi, l’eumelanina (la tipologia di melanina maggiormente presente nel nostro corpo) ha iniziato a suscitare l’interesse di molti, fino ad ottenere un notevole indice di caratterizzazione, tanto che si è arrivati ad ipotizzare un suo possibile impiego nella progettazione di nuovi modelli bio-elettronici applicabili al campo della medicina. Il tutto viene portato avanti, ad oggi, da un team di ricerca italiano, precisamente napoletano, coordinato da Paolo Tassini, del Centro Ricerche Portici – Enea e da Alessandro Pezzella, dell’Università Federico II di Napoli, il quale dimostra che un materiale biocompatibile e conduttore consente la trasmissione di segnali tra varie popolazioni cellulari che manifestano attività elettrica.

Applicazioni


Neuroscienze

Nel caso di patologie neurodegenerative, in cui si osserva una perdita di trasmissione elettrica tra diversi compartimenti cerebrali, dei “ponti” eumelanici potrebbero ripristinare, almeno parzialmente, questa carente conduzione.

L’esempio applicativo più calzante riguarda proprio la Malattia di Parkinson, una patologia complessa causata da un’estesa degenerazione della pars compacta della substantia nigra (nucleo centrale situato alla base del mesencefalo), i cui neuroni inviano fibre dopaminergiche ad alcuni dei nuclei della base (in particolare i nuclei Caudato e Putamen, il cui ruolo è, tra gli altri, quello di controllare l’ampiezza e la velocità d’esecuzione dei movimenti). A causa di tale degenerazione, l’azione inibitoria della dopamina viene meno. Di conseguenza, i ”nuclei riceventi” divengono iperattivi ed iniziano ad inviare continuamente segnali eccitatori al sistema motorio cortico-spinale, portando quindi alla contrazione esagerata dei muscoli corporei. E’ così che si viene a manifestare uno dei principali sintomi del Morbo di Parkinson: una diffusa rigidità muscolare che comporta una grande difficoltà nell’iniziare i movimenti. Tale acinesia è spesso anche più invalidante del classico tremore Parkinsoniano (condizione spesso percepita come sintomo principale della patologia), perché l’esecuzione di qualsiasi movimento, anche il più semplice, richiede la massima concentrazione da parte del soggetto, in alcuni casi all’estremo della forza di volontà, fino a giungere all’angoscia.

Dunque, è proprio in questi tipi di contesto che la conduttività della eumelanina potrebbe sopperire alla carente trasmissione elettrica tra le diverse aree cerebrali.

Ma non finisce qui: i suoi potenziali impieghi potrebbero rivelarsi di supporto anche in quelle terapie in cui sono già impiegati processi di elettrostimolazione: un rivestimento eumelaninico dei classici elettrodi metallici utilizzati nella Deep Brain Stimulation, potrebbe aiutare a prevenire molte delle reazioni avverse che in alcuni casi portano al fallimento delle terapie.

Diagnosi di laboratorio

Altre prospettive, poi, si aprono in relazione alla sfera diagnostica, in quanto la possibilità di registrare dei segnali elettrici in vivo ed in situ, potrebbe fornire numerose informazioni non ancora facilmente ricavabili da alcuni strumenti diagnostici, soprattutto a causa della sensibilità e del dettaglio richiesti.

Bioingegneria

Infine, anche per quanto riguarda il campo biomedico, una delle più rilevanti applicazioni consisterebbe nel sostituire molte delle interfacce organiche attualmente in uso per alcuni tipi di protesi articolari. Secondo il Prof. Alessandro Pezzella, infatti:

Sviluppando un’adeguata tecnologia dal punto di vista biomeccanico, la chimica dell’eumelanina potrebbe consentire l’impianto di protesi permanenti (o semi-permanenti) sicuramente più compatibili con la biologia dei tessuti, grazie alla notevole riduzione delle risposte avverse, in genere fibrotiche.

La ricerca


Insomma, un’enorme potenziale applicativo che viene studiato ed approfondito dai ricercatori italiani, i quali, mantenendo inalterata la chimica dell’eumelanina, hanno lavorato alla creazione di sottilissimi film costituiti da tale pigmento, preparati tramite la polimerizzazione di derivati solidi dell’idrossiindolo e riscaldati successivamente ad una temperatura limite di 600°C in condizioni di Alto Vuoto (cioè a pressioni un miliardo di volte più basse rispetto alla pressione atmosferica al livello del mare), così da permetterne l’essiccazione (Metodo SSP). Le proprietà elettriche dei film di eumelanina sono state poi valutate utilizzando dei sofisticati strumenti di analisi in grado di quantificare in che misura la corrente d’ingresso abbia attraversato lo spessore di ogni strato. Il risultato è senza precedenti: è stata calcolata una conduttività pari a 318 S/cm, un valore paragonabile a quello dei metalli e mai ottenuto prima.

Analisi profilometrica ottica dopo 2 ore di immersione in acqua deionizzata a temperatura ambiente.

Ad ogni modo, ciò che più di ogni altra cosa distingue tale ricerca da quelle della precedente letteratura, è la descrizione del comportamento dei film di eumelanina nel momento in cui assorbono l’umidità circostante o nel momento in cui entrano in contatto con l’acqua. Infatti, al contrario di quanto affermato precedentemente -cioè che l’umidità assorbita aumentasse la conduttività e che, addirittura, questa fosse esclusivamente ionica e dovuta all’acqua- è stato invece dimostrato che la conduttività delle strutture di eumelanina è indipendente dall’umidità e quindi dalle interazioni ioniche. Lo stesso Professor Pezzella riporta:

In vivo, la presenza di acqua è imprescindibile e può, in parte, ridurre la conduttività della “eumelanina compatta”. Tuttavia, da prime osservazioni su scale di settimane, questa riduzione non pregiudica in misura determinate la conduttività raggiunta. Allo stesso tempo è certo che sarà particolarmente importante avviare uno studio sistematico della risposta in tempi più ampi, da mesi ad anni. Importantissimo allo stesso tempo, per la ricerca di base, è aver dimostrato che la conduzione nella eumelanina è elettronica se si eliminano le classiche trappole per il trasporto “p” ed “n” (tra cui gruppi polari ed acqua); per questo motivo affermiamo che si è superato il paradigma per cui la conducibilità della eumelanina aumenta con il contenuto di acqua. Si trattava di un fenomeno legato al solo trasporto ionico in un regime di conduttività di moltissimi ordini di grandezza al di sotto di quanto registrato oggi con il trasporto elettronico.

E’ chiaro, dunque, che la conduzione ionica c’è ed è molto importante, e la cosa più difficile sarà identificarne i contributi relativi. Ma acqua, gruppi polari e distanza intercatene, sono ”trappole” per la conduttività elettronica e questo, oggi, è stato dimostrato anche per le eumelanine.

Sviluppi


Parlando di prospettive future, è ancora difficile, oggi, prevedere i tempi entro cui la pratica clinica potrà beneficiare dei vantaggi tale scoperta.

Stando alle dichiarazioni di Pezzella:

Un fattore determinate sono i finanziamenti pubblici, ed è probabile che i primi risultati in campo medico arrivino da centri di ricerca fuori dal nostro paese. Sarebbe un notevole successo se dalla ricerca di base – il nostro studio – si riuscissero a realizzare le applicazioni cliniche in una rete italiana, ma questo dipende molto dalla disponibilità di risorse e proprio in questa fase, in Italia, assistiamo ad una continua riduzione delle risorse destinate alla ricerca. È, da sempre, un problema critico in Italia, e credo che la vostra redazione abbia ben chiaro lo stato delle cose al riguardo. C’è da augurarsi che risultati come questo trovino spazio anche nella comunicazione divulgativa verso il grande pubblico, stimolando così una sensibilità civica e politica verso la destinazione di risorse per la ricerca.

Fonti e approfondimenti:
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Informazioni autore

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Maria Grazia Varì

Studentessa di Medicina e Chirurgia al V anno. Interessata al ramo della medicina preventiva nell'ambito del sistema immunitario ed alla diagnostica immunoenzimatica.

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