Così si studia il cervello degli astronauti per scoprire le cure contro il Parkinson
Proteggere il cervello degli astronauti nelle missioni di lunga durata verso la Luna e Marte potrebbe aiutare a ridurre i sintomi di una delle malattie neurodegenerative più devastanti sulla Terra: il Parkinson. Il punto di incontro tra ricerca spaziale e neuroscienza si trova in nanoparticelle in grado di contrastare lo stress ossidativo nei neuroni, inventate dai cervelloni dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). «Quando si pensa agli astronauti, difficilmente si immagina che possano subire danni cerebrali», spiega Gianni Ciofani, coordinatore dell’esperimento «Prometeo» i cui risultati sono stati pubblicati lo scorso dicembre. «Eppure oggi sappiamo che microgravità e radiazioni cosmiche creano un ambiente biologicamente aggressivo per il sistema nervoso». Perché al cervello, nello spazio, accadono più cose di quanto ci si immagini. In microgravità, come quella presente a bordo della Stazione spaziale internazionale, il corpo umano perde il riferimento della gravità terrestre. I liquidi si redistribuiscono, il cervello cambia leggermente volume e le prime conseguenze si osservano spesso sulla vista. «Nervo ottico e occhio sono, a tutti gli effetti, un’estensione del cervello», sottolinea Ciofani. «Per questo le alterazioni visive sono tra i segnali più precoci e documentati». Il problema non è solo macroscopico. Microgravità e radiazioni inducono le cellule a produrre troppi “sottoprodotti tossici” dell’ossigeno, più di quanti riescano a neutralizzare, con effetti su neuroni e cellule immunitarie cerebrali. «Abbiamo osservato che i microglia, le cellule immunitarie del sistema nervoso centrale, tendono ad assumere un fenotipo infiammatorio», spiega il ricercatore. «È come se il cervello entrasse in uno stato di allerta permanente».
L’altra sorpresa è il ponte con la malattia di Parkinson. Molti dei meccanismi osservati nelle cellule esposte all’ambiente spaziale sono centrali anche nel morbo di Parkinson: stress ossidativo, deficit energetici, produzione inferiore di dopamina, il neurotrasmettitore che regola il controllo dei movimenti e della postura, coordina l’esecuzione dei gesti, ed è coinvolta in alcune funzioni cognitive. «Abbiamo visto che vengono alterati geni coinvolti nel metabolismo dopaminergico e nella funzione dei neuroni dopaminergici», spiega Ciofani. «Sono gli stessi circuiti che risultano compromessi nei pazienti con Parkinson». La differenza tra lo spazio e la Terra, però, è sostanziale. «Negli astronauti queste alterazioni sono reversibili», chiarisce. «Quando tornano sulla Terra, il sistema recupera. Nelle patologie neurodegenerative, invece, il danno è permanente». Il motivo sta nel livello biologico coinvolto: nello spazio le modifiche avvengono a livello di trascrittomica, cioè di espressione dei geni (RNA), e non di mutazioni stabili del DNA. «È la differenza tra un sistema che cambia comportamento e uno che cambia struttura», sintetizza Ciofani.
Per poter osservare questi effetti, il team IIT ha inviato cellule neuronali dopaminergiche nello spazio. Dopo la permanenza in orbita, le cellule vengono fissate e analizzate sulla Terra. «Purtroppo non possiamo riportarle vive», spiega Ciofani. «A volte restano mesi in orbita prima di poter rientrare, quindi dobbiamo studiare quello che è successo lassù, non il recupero».
Uno degli aspetti più innovativi dello studio italiano è stato la possibilità di distinguere gli effetti della microgravità da quelli delle radiazioni cosmiche. Sulla Stazione Spaziale, infatti, alcune cellule possono essere mantenute a gravità terrestre grazie a centrifughe, pur restando esposte alle radiazioni cosmiche. Può sembrare un paradosso andare nello spazio per fare esperimenti a gravità terrestre, ma è l’unico modo per disaccoppiare due fattori che agiscono contemporaneamente sull’organismo. I risultati mostrano che sia microgravità che radiazioni cosmiche alterano l’espressione genica legata allo stress ossidativo, alla plasticità sinaptica e alla funzione dei mitocondri presenti nelle cellule. Ma le radiazioni cosmiche, che su Marte arrivano in quantità elevate, si sono rivelate più difficili da controbilanciare rispetto alla microgravità (sulla Luna e su Marte si parla di gravità ridotta).
E qui entrano in gioco le nanoparticelle di polidopamina, materiale biocompatibile e biodegradabile derivato dalla dopamina stessa. «Queste particelle hanno potenti proprietà antiossidanti», racconta il ricercatore. «Neutralizzano i radicali liberi, aumentano i livelli di glutatione, un antiossidante prodotto dal fegato, e proteggono i mitocondri». In laboratorio, a gravità terrestre e in microgravità simulata, le nanoparticelle riducono drasticamente lo stress ossidativo e favoriscono la maturazione neuronale. «Osserviamo neuriti più lunghi, più numerosi, una migliore organizzazione delle cellule nervose», spiega Ciofani. Quando si passa ai dati di trascrittomica, l’effetto diventa ancora più evidente: «In microgravità, con le nanoparticelle, recuperiamo quasi il 90% dei geni alterati. Con le radiazioni cosmiche il recupero è più limitato, intorno al 40%, ma comunque significativo». Questi risultati contano sia per il futuro dell’esplorazione spaziale sia per la Terra. Le missioni verso la Luna e Marte prevedono permanenze di mesi, se non anni, in ambienti con gravità ridotta e scarsa protezione dalle radiazioni. «Oggi osserviamo alterazioni cellulari dopo pochi giorni», avverte Gianni Ciofani. «Nel lungo periodo non sappiamo ancora cosa potrebbe accadere». Ma la ricerca ha una natura dichiaratamente “duale”. «Se troviamo contromisure utili per proteggere gli astronauti», conclude, «e queste stesse soluzioni possono aiutare anche contro malattie come il Parkinson, il valore scientifico e umano del lavoro raddoppia». Le nanoparticelle di polidopamina, infatti, potrebbero non solo modulare l’espressione genica e ridurre lo stress ossidativo, ma anche funzionare come sistemi di rilascio della dopamina, affrontando uno dei nodi centrali della malattia di Parkinson.
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