Studio e caratterizzazione di biosensori sviluppati su dispositivi inorganici ed organici

L’attività di dottorato qui descritta ha riguardato inizialmente lo sviluppo di biosensori elettrochimici semplificati per la rilevazione di DNA e successivamente lo studio di dispositivi organici ad effetto di campo per la stimolazione e il rilevamento dell’attività bioelettrica di cellule neuronali. Il lavoro di ricerca riguardante il prima parte è stato focalizzato sulla fabbricazione e sulla caratterizzazione di un biosensore a due elettrodi per la rilevazione di DNA solubile , facilmente producibile a livello industriale. Tale sensore infatti, è in grado di leggere livelli diversi di correnti faradiche sulle superfici in oro degli elettrodi, a discrezione di un eventuale ibridizzazione del DNA da analizzare su di esse. I risultati ottenuti riguardo a questo biosensore sono :la paragonabilità dello stesso con i sensori standard a tre elettrodi basati sulla medesima metodica, la possibilità di effettuare due misure in parallelo di uno stesso campione o di 2 diversi campioni su di uno stesso di dispositivo e la buona applicabilità della chimica superficiale a base di tale biosensore a superfici create con tecnologie industriali. Successivamente a tali studi, mi sono focalizzato sull’utilizzo di dispositivi organici ad effetto campo (in particolare OTFT) per lo sviluppo di un biosensore capace di stimolare e registrare l’attività bioelettrica di cellule neuronali. Inizialmente sono state identificate le caratteristiche del materiale organico utilizzato e successivamente del dispositivo fabbricato pre e post esposizione all’ambiente fisiologico. Poi, sono stati effettuati esperimenti per osservare la capacità di stimolare e di leggere i segnali elettrogenici da parte dell’OTFT. I risultati ottenuti da tali studi sono che: il materiale organico ed il dispositivo mantengo le loro caratteristiche morfologiche e funzionali dopo l’esposizione per giorni all’ambiente fisiologico. Inoltre l’OFET in grado di stimolare il cambiamento delle tensioni di membrana cellulari e contemporaneamente di registrare tali variazioni e le eventuali risposte cellulari provocate da esse.

Mechanosensitivity in the myenteric plexus of the guinea pig ileum

The enteric nervous system regulates autonomously from the central nervous system all the reflex pathways that control blood flow, motility, water and electrolyte transport and acid secretion. The ability of the gut to function in isolation is one of the most intriguing phenomenons in neurogastroenterology. This requires coding of sensory stimuli by cells in the gut wall. Enteric neurons are prominent candidates to relay mechanosensitivity. Surprisingly, the identity of mechanosensitive neurons in the enteric nervous system as well as the appropriate stimulus modality is unknown despite the evidence that enteric neurons respond to sustained distension. Objectives: The aim of our study was to record from mechanosensitive neurons using physiological stimulus modalities. Identification of sensory neurons is of central importance to understand sensory transmission under normal conditions and in gut diseases associated with sensorimotor dysfunctions, such as Irritable Bowel Syndrome. Only then it will be possible to identify novel targets that help to normalise sensory functions. Methods: We used guinea-pig ileum myenteric plexus preparations and recorded responses of all neurons in a given ganglion with a fast neuroimaging technique based on voltage sensitive dyes. To evoke a mechanical response we used two different kinds of stimuli: firstly we applied a local mechanical distortion of the ganglion surface with von Frey hair. Secondarily we mimic the ganglia deformation during physiological movements of myenteric ganglia in a freely contracting ileal preparation. We were able to reliably and reproducibly mimic this distortion by intraganglionic injections of small volumes of oxygenated and buffered Krebs solution using stimulus parameters that correspond to single contractions. We also performed in every ganglion tested, electrical stimulations to evoke fast excitatory postsynaptic potentials. Immunohistochemistry reactions were done with antibodies against Calbindin and NeuN, considered markers for sensory neurons. Results: Recordings were performed in 46 ganglia from 31 guinea pigs. In every ganglion tested we found from 1 to 21 (from 3% to 62%) responding cells with a median value of 7 (24% of the total number of neurons). The response consisted of an almost instantaneous spike discharge that showed adaptation. The median value of the action potential frequency in the responding neurons was 2.0 Hz, with a recording time of 1255 ms. The spike discharge lasted for 302 ± 231 ms and occurred only during the initial deformation phase. During sustained deformation no spike discharge was observed. The response was reproducible and was a direct activation of the enteric neurons since it remained after synaptic blockade with hexamethonium or ω-conotoxin and after long time perfusion with capsaicin. Muscle tone appears not to be required for activation of mechanosensory neurons. Mechanosensory neurons showed a response to mechanical stimulation related to the stimulus strength. All mechanosensory neurons received fast synaptic inputs. There was no correlation between mechanosensitivity and Calbindin-IR and NeuN-IR (44% of mechanosensitive neurones Calb-IR-/NeuN-IR-). Conclusions: We identified mechanosensitive neurons in the myenteric plexus of the guinea pig ileum which responded to brief deformation. These cells appear to be rapidly accommodating neurons which respond to dynamic change. All mechanosensitive neurons received fast synaptic input suggesting that their activity can be highly modulated by other neurons and hence there is a low stimulus fidelity which allows adjusting the gain in a sensory network. Mechanosensitivity appears to be a common feature of many enteric neurons belonging to different functional classes. This supports the existence of multifunctional enteric neurons which may fulfil sensory, integrative and motor functions.

Melanopsin Retinal Ganglion Cells: relevance to circadian rhythms and sleep in neurodegeneration

In this PhD thesis 3 projects were addressed focusing on the melanopsin retinal ganglion cells (mRGCs) system and its relevance for circadian rhythms and sleep in neurodegeneration. The first project was aimed at completing the characterization of mRGCs system in hereditary optic neuropathies (LHON and DOA). We confirmed that mRGCs are relatively spared also in post-mortem retinal specimens of a DOA case and pupillometric evaluation of LHON patients showed preservation of the pupillary light reflex, with attenuated responses compared to controls. Cell studies failed to indicate a protective role exerted by melanopsin itself. The second project was aimed at characterizing the possible occurrence of optic neuropathy and rest-activity circadian rhythm dysfunction in Alzheimer (AD) and Parkinson disease (PD), as well as, at histological level, the possible involvement of mRGCs in AD. OCT studies demonstrated a subclinical optic neuropathy in both AD and PD patients, with a different pattern involving the superior and nasal quadrants in AD and the temporal quadrant in PD. Actigraphic studies demonstrated a tendency towards an increased intradaily variability (IV) and reduced relative amplitude (RA) of rest-activity circadian rhythm in AD and a significant increased IV a reduced RA in PD. Immunohistochemical analysis of post-mortem retinal specimens and optic nerve cross-sections of neuropathologically confirmed AD cases demonstrated a significant loss of mRGCs and a nearly significant loss of axons in AD compared to controls. The mRGCs were affected in AD independently from age and magnitude of axonal loss. Overall these results suggest a role of the mRGCs system in the pathogenesis of circadian dysfunction in AD. The third project was aimed at evaluating the possible association between a single nucleotide polymorphism of the OPN4 gene and chronotype or SAD, failing to find any significant association with chronotype, but showing a non-significant increment of TT genotype in SAD.

Caratterizzazione morfologica e neurochimica dei neuroni sensitivi e motori del trigono vescicale e del muscolo uretrale di maiale

Il trigono della vescica urinaria (UBT) è un'area limitata attraverso la quale penetrano nella vescica la maggior parte dei vasi e fibre e in cui le fibre nervose e neuroni intramurali sono più concentrati. Mediante l’utilizzo combinato di un tracciante retrogrado(FB) e dell’immunoistochimica sono stati valutati il fenotipo e l’area del soma dei neuroni dei gangli spinali (DRG), dei neuroni post-gangliari, il fenotipo dei gangli della catena simpatica (STG) e i gangli mesenterici caudali (CMG) innervanti l’UBT. - Caratterizzazione dei neuroni dei DRG con: peptide correlato al gene della calcitonina (CGRP)(30±3%, 29±3%, rispettivamente), sostanza P(SP)(26±8%, 27±12%), ossido nitrico sintasi neuronale (nNOS)(21±4%; 26±7%), neurofilamento 200kDa (NF200)(75±14%, 81±7% ) , transient receptor potential vanilloid1 (TRPV1)(48±13%, 43±6%) e isolectina-B4-positivi (IB4) (56±6%;43±10%). I neuroni sensoriali, distribuiti da L2 a Ca1 (DRG), hanno presentato una localizzazione segmentale, mostrando maggior densità nei DRG L4-L5 e S2-S4. I neuroni sensoriali lombari sono risultati significativamente più grandi di quelle sacrali (1.112±624μm2 vs716±421μm2). Complessivamente, questi dati indicano che le vie lombari e sacrali probabilmente svolgono ruoli diversi nella trasmissione sensitiva del trigono della vescica urinaria. -I neuroni FB+ della STG e dei CMG sono risultati immunoreattivi per la tirosina idrossilasi (TH)(66±10,1%, 53±8,2%, rispettivamente), la dopamina beta-idrossilasi (DβH)(62±6,2%, 52±6,2%), neuropeptideY (NPY)(59±8%; 66±7%), CGRP(24±3%, 22±3%), SP(22±2%; 38±8%), polipeptide intestinale vasoattivo (VIP)(19±2%; 35±4%), nNOS(15±2%; 33±8%), trasportatore vescicolare dell'acetilcolina (VAChT)(15±2%; 35±5%), leu-encefalina (LENK)(14±7%; 26±9%), e somatostatina (SOM)(12±3%;32±7%).Il numero medio di neuroni FB+ (1845,1±259,3) era nella STG in L1-S3, con i pirenofori più piccoli (465,6±82.7μm2). Un gran numero (4287,5±1450,6) di neuroni FB+ di piccole dimensioni (476,1±103,9μm2) sono stati localizzati lungo il margine dei CMG. Il maggior numero (4793,3±1990,8) di neuroni FB + è stato osservato nel plesso pelvico, dove i neuroni marcati erano raggruppati in micro-gangli e con pirenoforo ancora più piccolo (374,9±85,4 μm2).