Effektiv, specifika, med en reversibel och icke-skadlig verkan:identiskiteten för det perfekta biomaterialet verkar motsvara grafenflingor, ämnet för en ny studie utförd av SISSA—International School for Advanced Studies of Trieste, Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) i Barcelona, och National Graphene Institute vid University of Manchester, som en del av European Graphene Flagship-projektet. Detta nanomaterial har visat förmågan att interagera med nervsystemets funktioner hos ryggradsdjur på ett mycket specifikt sätt, avbryta uppbyggnaden av en patologisk process som leder till ångestrelaterat beteende.

"Vi har tidigare visat att när grafenflingor levereras till neuroner interfererar de spontant med excitatoriska synapser genom att tillfälligt förhindra glutamatfrisättning från presynaptiska terminaler, " säger Laura Ballerini från SISSA, ledaren för teamet som genomförde forskningsstudien "Grafenoxid förhindrar lateral amygdala dysfunktionell synaptisk plasticitet och återställer långvarigt ångestbeteende hos råttor, " nyligen publicerad i Biomaterial .

Forskare undersökte om en sådan minskning av synaptisk aktivitet var tillräcklig för att modifiera relaterade beteenden, i synnerhet de patologiska som utvecklas på grund av en övergående och lokaliserad hyperfunktion av excitatoriska synapser. Detta tillvägagångssätt skulle stärka strategin med selektiv och övergående inriktning av synapser för att förhindra utvecklingen av hjärnpatologier genom att använda så kallade exakta medicinbehandlingar.

För att testa denna hypotes, teamet fokuserade på posttraumatisk stressyndrom (PTSD) och genomförde experimenten i två faser, in vivo och in vitro.

"Vi analyserade defensiva beteenden orsakade hos råttor av närvaron av ett rovdjur, använda exponering för kattlukt, att framkalla ett aversivt minne, " förklarar Audrey Franceschi Biagioni från SISSA, studiens första författare. "Om de utsätts för rovdjurslukten, råttan har ett defensivt svar, hålla på, och denna upplevelse är så väl inpräntad i minnet, att när djuret placeras i samma sammanhang även sex dagar senare, djuret kommer ihåg rovdjurets lukt och uppträder på samma sätt som skyddande. Detta är en välkänd och konsoliderad modell, som vi använde för att reproducera ett stressbeteende. Exponering för rovdjuret kan modifiera neuronala anslutningar - ett fenomen som tekniskt är känt som plasticitet - och ökar den synaptiska aktiviteten i ett specifikt område av amygdala som därför representerade målet för vår studie för att testa effekterna av nanomaterialet."

Laura Ballerini tillägger, "Vi antog att grafenflingor som vi visade tillfälligt hämma excitatoriska synapser (utan att orsaka inflammation, skada på neuroner eller andra biverkningar) kunde injiceras i den laterala amygdala när plasticiteten som är förknippad med minnet konsoliderades. Om nanomaterialet var effektivt för att blockera excitatoriska synapser, det bör hämma plasticitet och minska det ångestrelaterade svaret. Och detta är vad som hände:djuren som administrerades med grafenflingor, efter sex dagar, "glömde" de ångestrelaterade svaren, rädda deras beteende."

Den andra delen av forskningen utfördes in vitro. "In vivo kunde vi bara observera beteendeförändringar och kunde inte utvärdera effekten av grafenflingorna på synapser, " förklarar Giada Cellot, forskare vid SISSA och första författare till studien tillsammans med Audrey Franceschi Biagioni. "In vitro-experiment fick arbeta på en förenklad modell, för att få insikt om de mekanismer genom vilka grafenflingorna kan interagera med neuroner. Vi använde neuronala kulturer erhållna från amygdala, det område av hjärnan där stressreaktionen inträffar, och vi observerade att effekterna av nanomaterial var specifika för de excitatoriska synapserna och en kort exponering för grafenflingor kunde förhindra synapsernas patologiska plasticitet."

Tack vare dessa fynd, grafenflingor har visat sin potential som nanoverktyg (biomedicinska verktyg sammansatta av nanomaterial) som kan verka på ett specifikt och reversibelt sätt på synaptisk aktivitet för att avbryta en patologisk process och därför kan de användas även för att transportera droger eller för andra tillämpningar inom området precisionsmedicin.