Secondo uno studio pubblicato su Nature Metabolism, i ricercatori della Washington University di St. Louis hanno sviluppato un metodo per indurre uno stato di torpore nei mammiferi utilizzando la stimolazione ultrasonica del cervello.
La tecnica non invasiva potrebbe potenzialmente essere utilizzata in scenari come i voli spaziali o in pazienti con gravi condizioni di salute per risparmiare energia e calore.
Alcuni mammiferi e uccelli hanno un modo intelligente per conservare energia e calore andando in torpore, durante il quale la loro temperatura corporea e il tasso metabolico diminuiscono per consentire loro di sopravvivere a condizioni ambientali potenzialmente fatali, come il freddo estremo o la mancanza di cibo.
La possibilità di indurre negli astronauti o in malati particolarmente gravi una condizione simile è stata proposta fin dagli anni ’60 ma, ad oggi, l’induzione sicura di tale stato rimane un’incognita.
Hong Chen, professore associato alla Washington University di St. Louis, e un team multidisciplinare hanno indotto uno stato simile al torpore nei topi utilizzando gli ultrasuoni per stimolare l’area preottica dell’ipotalamo, che aiuta a regolare la temperatura corporea e il metabolismo. Le loro scoperte, pubblicate il 25 maggio sulla rivista Nature Metabolism, mostrano il primo metodo non invasivo e sicuro per indurre uno stato simile al torpore prendendo di mira il sistema nervoso centrale.
Chen, professore associato di ingegneria biomedica presso la McKelvey School of Engineering e di radioterapia oncologica presso la School of Medicine, e il suo team, tra cui Yaoheng (Mack) Yang, un ricercatore associato postdottorato, hanno creato un trasduttore a ultrasuoni indossabile per stimolare i neuroni nell’area preottica dell’ipotalamo. Quando stimolati, i topi hanno mostrato un calo della temperatura corporea di circa 3 gradi Celsius per circa un’ora. Inoltre, il metabolismo dei topi ha mostrato un cambiamento dall’utilizzo di carboidrati e grassi per l’energia al solo grasso, una caratteristica chiave del torpore, e la loro frequenza cardiaca è diminuita di circa il 47%, il tutto a temperatura ambiente.
Il team ha anche scoperto che con l’aumentare della pressione acustica e della durata degli ultrasuoni, aumentava anche il calo della temperatura corporea inferiore e il rallentamento metabolismo.
“Abbiamo sviluppato un controller di feedback automatico a circuito chiuso per ottenere ipotermia e ipometabolismo indotti da ultrasuoni stabili e di lunga durata controllando l’emissione di ultrasuoni“, ha affermato Chen. “Il controller di feedback a circuito chiuso ha impostato la temperatura corporea desiderata su un valore inferiore a 34 °C, che in precedenza era stato segnalato come critico per il torpore naturale nei topi. Questo UIH controllato dal feedback ha mantenuto la temperatura corporea del topo a 32,95 °C per circa 24 ore e ha recuperato la temperatura normale dopo che gli ultrasuoni erano stati disattivati”.
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Per capire come si attivano l’ipotermia e l’ipometabolismo indotti dagli ultrasuoni, il team ha studiato la dinamica dell’attività dei neuroni nell’area preottica dell’ipotalamo in risposta agli ultrasuoni. Hanno osservato un consistente aumento dell’attività neuronale in risposta a ciascun impulso ultrasonico, che si allineava con i cambiamenti della temperatura corporea nei topi.
“Questi risultati hanno rivelato che l’UIH è stato evocato dall’attivazione ecografica dei neuroni dell’area preottica dell’ipotalamo“, ha detto Yang. “La nostra scoperta che la stimolazione transcranica dell’area preottica dell’ipotalamo era sufficiente per indurre l’UIH ha rivelato il ruolo fondamentale di quest’area nell’orchestrare uno stato simile al torpore nei topi“.
Chen e il suo team volevano anche trovare la molecola che consente a questi neuroni di attivarsi con gli ultrasuoni. Attraverso il sequenziamento genetico, hanno scoperto che gli ultrasuoni attivano il canale ionico TRPM2 nei neuroni dell’area preottica dell’ipotalamo. In una varietà di esperimenti, hanno dimostrato che TRPM2 è un canale ionico sensibile agli ultrasuoni e ha contribuito all’induzione di UIH.
Nel ratto, che normalmente non va in torpore o ibernazione, il team ha somministrato ultrasuoni all’area preottica dell’ipotalamo e ha riscontrato una diminuzione della temperatura della pelle, in particolare nella regione del tessuto adiposo bruno, nonché un calo della temperatura corporea di circa 1 grado, simile al torpore naturale.
Questo team multidisciplinare è composto da Jonathan R. Brestoff, MD, PhD, assistente professore di patologia e immunologia presso la School of Medicine; Alexxai V. Kravitz, professore associato di psichiatria, anestesiologia e neuroscienze alla School of Medicine, e Jianmin Cui, professore di ingegneria biomedica alla McKelvey School of Engineering, tutti alla Washington University di St. Louis. Del team fa parte anche Michael R. Bruchas, professore di anestesiologia e di farmacologia all’Università di Washington .
“UIH ha il potenziale per affrontare l’obiettivo a lungo ricercato di raggiungere l’induzione non invasiva e sicura di uno stato simile al torpore, che è stato perseguito dalla comunità scientifica almeno dagli anni ’60“, ha detto Chen. “La stimolazione ultrasonica possiede una capacità unica di raggiungere in modo non invasivo le regioni cerebrali profonde con un’elevata precisione spaziale e temporale nei cervelli animali e umani“.
Riferimento: “Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound” di Yaoheng Yang, Jinyun Yuan, Rachael L. Field, Dezhuang Ye, Zhongtao Hu, Kevin Xu, Lu Xu, Yan Gong, Yimei Yue, Alexxai V Kravitz, Michael R. Bruchas, Jianmin Cui, Jonathan R. Brestoff e Hong Chen, 25 maggio 2023, Nature Metabolism .
DOI: 10.1038/s42255-023-00804-z.
