Nanoparticelle fotosensibili basate sul grafene per il recupero della vista

Abstract

Negli ultimi tre decenni si è assistito a un'enorme ricerca per colmare il divario tra la visione simulata e quella naturale. La degenerazione maculare legata all'età e la retinite pigmentosa sono tra le principali malattie neurodegenerative croniche non curabili, responsabili della debilitazione di milioni di persone. Sono stati studiati diversi metodi terapeutici, dalla sostituzione genica alla terapia con cellule staminali, fino alle protesi retiniche elettroniche, tra le quali queste ultime hanno avuto il periodo di sviluppo più lungo. D'altra parte, gli approcci retinici sottoretinici hanno mostrato risultati incoraggianti per un parziale miglioramento della visione acquisita puntando ai neuroni retinici interni residui sfruttando vari meccanismi di stimolazione, anche se l'invasività chirurgica e la modifica genetica rappresentano ancora il collo di bottiglia nel campo delle terapie della degenerazione retinica, insieme alla capacità di consentire una visione ad alta risoluzione. In questa tesi, mostriamo un potenziale sviluppo della retina "liquida", accoppiando il grafene a una nuova formulazione copolimerica delle nanoparticelle iniettabili precedentemente sviluppate. Esperimenti di vitalità in vitro su colture neuronali primarie e registrazioni MEA ex vivo da espianti retinici ciechi mostrano una buona biocompatibilità delle particelle, la loro localizzazione sulla membrana cellulare senza internalizzazione nel tempo e, infine, una maggiore modulazione del fuoco dei neuroni retinici al momento dell'illuminazione. Questi risultati suggeriscono che il grafene può essere incorporato con successo in nanoparticelle di polimeri fotovoltaici e rappresentano una potenziale nuova strategia per lo sviluppo di strumenti di neurostimolazione sensibili alla luce iniettabili.

The past three decades have witnessed tremendous research to bridge the gap between simulated and natural vision. Age related macular degeneration and Retinitis pigmentosa are among the top untreatable, chronic neurodegenerative eye diseases responsible for debilitating lives of millions of people. Different therapeutic methods have been investigated going from gene replacement to stem cell therapy, to electronic retinal prostheses, among which the latter hold the longest period of development. On the other hand, subretinal retinal approaches showed encouraging results for a partial enhancement in vision acquired by targeting the residual inner retinal neurons exploiting various stimulation mechanisms, even though surgical invasiveness and genetic modification still represent the bottleneck in the field of retinal degeneration therapies, together with the ability to enable high resolution vision. In the last years, retinal prosthetics improved thanks to the transition from inorganic to organic devices made from conjugated polymers, but a possible breakthrough is represented by the engineering of injectable conjugated polymers nanoparticles acting as a “liquid” retinal prosthesis. In this thesis, we show a potential development of the “liquid” retina, pairing graphene to a novel co-polymeric formulation of the previously developed injectable nanoparticles. in vitro viability experiments on primary neuronal cultures and ex vivo MEA recordings from blind retinal explants show a good biocompatibility of the particles, their localisation on the cell membrane without internalisation over time, and finally an increased firing modulation of retinal neurons upon illumination. These results overall suggest that graphene could be successfully embedded in nanoparticles of photovoltaic polymers and represent a potential new strategy for the development of injectable light-sensitive neurostimulation tools.