Innovatieve grafeentechnologie om de activiteit van synapsen te bufferen - dit is het idee achter een recent gepubliceerd onderzoek in het tijdschrift ACS Nano gecoördineerd door de International School for Advanced Studies in Trieste (SISSA) en de University of Trieste. Vooral, de studie toonde aan hoe effectief grafeenoxidevlokken zijn in het verstoren van prikkelende synapsen, een effect dat nuttig zou kunnen zijn bij nieuwe behandelingen voor ziekten zoals epilepsie.

Het laboratorium van Laura Ballerini van SISSA in samenwerking met de Universiteit van Triëst, de Universiteit van Manchester en de Universiteit van Castilla-la Mancha, heeft een nieuwe benadering ontdekt voor het moduleren van synapsen. Deze methodologie zou nuttig kunnen zijn voor de behandeling van ziekten waarbij de elektrische zenuwactiviteit is veranderd. Ballerini en Maurizio Prato (Universiteit van Triëst) zijn de hoofdonderzoekers van het project binnen het Europese vlaggenschip over grafeen, een verregaande 10-jarige internationale samenwerking (een miljard euro aan financiering) die innovatieve toepassingen van het materiaal bestudeert.

Traditionele behandelingen voor neurologische aandoeningen omvatten over het algemeen geneesmiddelen die inwerken op de hersenen of neurochirurgie. Vandaag echter, grafeentechnologie is veelbelovend voor dit soort toepassingen, en krijgt steeds meer aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap. De methode die door Ballerini en collega's is bestudeerd, maakt gebruik van "grafeen nano-linten" (vlokken) die de activiteit van synapsen bufferen door simpelweg aanwezig te zijn.

"We hebben waterige oplossingen van grafeenvlokken toegediend aan gekweekte neuronen in 'chronische' blootstellingsomstandigheden, de operatie een week lang elke dag herhalen. Analyse van functionele neuronale elektrische activiteit, we hebben vervolgens het effect op synapsen getraceerd", zegt Rossana Rauti, SISSA-onderzoeker en eerste auteur van de studie.

In de experimenten, grootte van de vlokken varieerde (10 micron of 80 nanometer) evenals het type grafeen:in één toestand werd grafeen gebruikt, in een andere, grafeen oxide. "Het 'bufferende' effect op synaptische activiteit gebeurt alleen met kleinere vlokken grafeenoxide en niet in andere omstandigheden, " zegt Ballerini. "Het effect, in het systeem dat we hebben getest, is selectief voor de prikkelende synapsen, terwijl het afwezig is in remmende"

Een kwestie van grootte

Wat is de oorsprong van deze selectiviteit? "We weten dat grafeen in principe geen significante chemische interactie heeft met synapsen - het effect is waarschijnlijk te wijten aan de loutere aanwezigheid van synapsen, " legt SISSA-onderzoeker en een van de auteurs van de studie uit, Dennis Scini. "We hebben nog geen direct bewijs, maar onze hypothese is dat er een verband is met de subcellulaire organisatie van de synaptische ruimte."

Een synaps is een contactpunt tussen het ene neuron en het andere waar het nerveuze elektrische signaal "springt" tussen een pre- en postsynaptische eenheid. Er is een kleine opening of discontinuïteit waar het elektrische signaal wordt "vertaald" door een neurotransmitter en vrijgegeven door pre-synaptische beëindiging in de extracellulaire ruimte en opnieuw geabsorbeerd door de postsynaptische ruimte, weer te vertalen in een elektrisch signaal. De toegang tot deze ruimte varieert afhankelijk van het type synapsen:"Voor de prikkelende synapsen, de organisatie van de structuur maakt een hogere blootstelling aan de interactie tussen grafeenvlokken mogelijk, in tegenstelling tot remmende synapsen, die fysiek minder toegankelijk zijn in dit experimentele model, ' zegt Scini.

Een andere aanwijzing dat afstand en grootte cruciaal kunnen zijn in het proces, is de observatie dat grafeen zijn functie alleen in geoxideerde vorm vervult. "Normaal grafeen ziet eruit als een uitgerekte en stijve plaat, terwijl grafeenoxide verfrommeld lijkt, en dus mogelijk de voorkeur geven aan interface met de synaptische ruimte, ", voegt Rauti toe.

Het toedienen van grafeenvlokkenoplossingen laat de neuronen levend en intact. Om deze reden denkt het team dat ze kunnen worden gebruikt in biomedische toepassingen voor de behandeling van bepaalde ziekten. "We kunnen ons voorstellen dat we ons op een medicijn richten door gebruik te maken van de selectiviteit van de schijnbare vlokken voor synapsen, dus direct gericht op de functionele basiseenheid van neuronen", concludeert Ballerini.