Chirurgia

La Fondazione in passato perseguiva le seguenti linee di ricerca:

1) Connessione del midollo spinale sovrastante la lesione con i nervi dei muscoli principali dell’arto inferiore.
2) Trasferimento dei due nervi ulnari dagli arti superiori ai tre muscoli principali dell’arto inferiore.
3) Impianto di elettrodi su muscoli e nervi (stimolazione elettrica funzionale)

Oggi, con il progredire delle conoscenze, la ricerca si basa sulla connessione degli assoni del midollo sovrastante la lesione (tratto corticospinale) con i muscoli o con i nervi dei muscoli degli arti inferiori, senza l'intermediario dei neuroni motori del midollo spinale (quelli che risiedono nel midollo spinale sottostante la lesione).
Lo scopo è di capire come sia possibile il movimento ottenuto con l’eccitazione del muscolo attraverso il neurotrasmettitore dei neuroni cerebrali che è il glutammato, invece che con l’acetilcolina, che è il neurotrasmettitore dei neuroni midollari. Un altro scopo è quello di scoprire come il comando inviato dai lobi frontali stimoli quei neuroni corticali che sono collegati (per mezzo dell’intervento sperimentale) con i muscoli che devono eseguire i movimenti voluti e che prima dell’intervento avevano altri collegamenti ed altre funzioni.

Condizioni essenziali per questi interventi (criteri d’inclusione nel programma operatorio) sono:

1      Che la paralisi sia SPASTICA affinchè i muscoli siano trofici.
2      La presenza di muscoli addominali e paravertebrali validi (la lesione non deve essere più alta di T-9), per consentire il controllo dei movimenti del tronco.
3      Che si tratti di pazienti giovani, magri, dotati di grande volontà e determinazione perché la rieducazione sarà lunga e faticosa.

La paraplegia è una condizione molto frequente. In Italia abbiamo circa 2.000 nuovi casi ogni anno e una popolazione di paraplegici di circa 80.000 i quali sono condannati all’ergastolo della sedia a rotelle.
Finora non esiste nessuna possibilità di far camminare un paraplegico affetto da lesione COMPLETA del midollo spinale.
La chirurgia si limita a stabilizzare la colonna ossea. Dal 1980 il prof. Brunelli si dedica alla ricerca per guarire le lesioni del midollo spinale prima nei ratti e poi nelle scimmie. Da principio usò innesti messi tra il midollo sovrastante e quello sottostante la lesione. Gli innesti vennero riabitati dagli assoni provenienti dalle cellule nervose della corteccia cerebrale i quali però si arrestarono all’uscita dagli innesti stessi quando incontrarono di nuovo il midollo spinale (Sistema Nervoso Centrale).

Questo è dovuto alla NON PERMISSIVITA’ del Sistema Nervoso Centrale, di cui il midollo è parte, per l’avanzamento in esso degli assoni che vengono rigenerati dalle cellule cerebrali. La ragione di questa “non permissività” non è conosciuta, si prospettano varie teorie ma nessuna accertata finora.
Per superare questa impossibilità il prof. Brunelli dal 1982 esegue sperimentalmente la connessione del midollo soprastante la lesione (nel quale esistono assoni normali) con i nervi periferici per i muscoli per mezzo di innesti nervosi che sono “permissivi” per l’avanzamento degli assoni, in quanto contengono le cellule di Schwann. Questa ricerca è stata fatta con schemi operatori variati negli anni prima sui ratti e poi sulle scimmie. Questa connessione ha consentito di reinnervare i muscoli che hanno mostrato un trofismo normale e buone risposte elettromiografiche alla stimolazione elettrica nonché un aspetto istologico pressoché normale degli innesti e la presenza nei muscoli di placche motrici neoformate testimonianti il recupero della funzione. Questa ricerca ha dimostrato che la cellula nervosa centrale è capace di produrre sostanze proteiche sufficienti a ricostruire anche gli assoni delle cellule nervose periferiche (il loro citoscheletro) arrivando fino ai muscoli e ristabilendo connessioni funzionali. Inoltre, come già detto, l’eccitazione del muscolo avviene per mezzo di un trasmettitore diverso dal normale: Glutammato invece che Acetilcolina.

E’ questa una scoperta scientifica molto importante, mai dimostrata prima e nemmeno ipotizzata.
Questo risultato, dimostrato per la prima volta dalle ricerche di Brunelli, ha consentito di ottenere il permesso dal Comitato Etico del S.S.N. dopo lunga ed esauriente discussione e di eseguire lo stesso intervento su esseri umani. Un altro tipo di intervento (che è stato ideato quando ancora il Comitato Etico non aveva dato il consenso per eseguire il primo tipo di operazione ) è il transfer dei due nervi ulnari dagli arti superiori ai tre muscoli principali dell’anca: grande gluteo, medio gluteo e quadricipite. I nervi ulnari vengono presi dagli arti superiori lasciandoli attaccati alla loro origine del plesso brachiale e perciò senza interromperne la continuità e quindi trasferiti sottocute ai nervi propri dei muscoli dell’anca.

Essi subiscono parzialmente  la degenerazione Walleriana a causa della temporanea devascolarizzazione. La rigenerazione avviene alla velocità di 1mm al giorno per cui i muscoli reinnervati cominciano a ricevere gli impulsi dopo circa 12-18 mesi. La connessione viene eseguita dalle tre branche motrici principali dell’ulnare ai tre muscoli dell’anca suddetti. All’inizio il paziente deve pensare di muovere la mano per ottenere i movimenti dell’arto inferiore. Successivamente il cervello impara a muovere l’arto pensando ai suoi movimenti.
Il cammino così ottenuto è limitato a 50 - 60 passi ed è rudimentale e abbastanza faticoso, tuttavia rende autonomo il paraplegico che può alzarsi e camminare con l’aiuto di un deambulatore, raggiungere la sua autovettura e guidarla. Dopo qualche tempo il paziente riacquista la propriocezione, cioè sente i movimenti che compie e naturalmente può variarli a piacimento con il comando del cervello (a differenza del comando del computer nella stimolazione elettrica funzionale che può essere acceso o spento ma non modificato).

Un altro intervento consiste nell’impianto di elettrodi su alcuni muscoli o su alcuni tronchi nervosi degli arti inferiori. Si tratta di una stimolazione elettrica funzionale. Al congresso mondiale di Innsbruck la stimolazione elettrica funzionale esterna è stata definita unanimemente inutile per la difficoltà del posizionamento degli elettrodi esterni da eseguire ogni volta e la necessità di usare sempre un deambulatore e di trascinarsi appresso un carrello con le batterie ed il computer contenente il programma. La stimolazione interna con gli elettrodi impiantati, invece richiede soltanto un computer e una batteria che devono seguire il paziente su un carrello. Gli impulsi provenienti dal computer e la corrente elettrica vengono trasmessi agli elettrodi per mezzo di un’antenna posta sulla cute dell’addome in corrispondenza del punto dove è stata impiantata la centralina ricevente del sistema di stimolazione interna che, a sua volta, manda gli stimoli in sequenza preordinati, agli elettrodi. Questo intervento però è stato in seguito sospeso per l’enorme costo dell’apparato e per la mancanza di ritorno economico per le ditte produttrici che si sono ritirate dal progetto.

Oggi si stanno facendo strada apparecchi elettronici di B.C.I., Brain-computer interfaces che derivano direttamente dal cervello gli impulsi volontari per dati movimenti con elettrodi di superficie od impiantati nei muscoli. La Fondazione si interessa e studia tutti questi metodi ed è particolarmente coinvolta nella ricerca della plasticità cerebrale per mezzo della stimolazione da parte della volontà proveniente dai lobi frontali di innumerevoli singoli neuroni sparsi nella corteccia cerebrale col risultato di movimenti volontari selettivi non disturbati da cocontrazioni. Questa plasticità è completamente diversa da quella già ben conosciuta da oltre un secolo dovuta a cambiamento di funzione di aree corticali conseguente a transfers di unità muscolo tendinee (eseguite per palliare paralisi parziali).

La plasticità cerebrale da eccitazione di multipli singoli neuroni sparsi in aree cerebrali diverse, anche aventi prima dell’intervento funzioni differenti e persino opposte presuppone un meccanismo di feedback (ancora non ben conosciuto) che renda riconoscibile al comando volontario quei neurotubi del tratto corticospinale corrispondenti al movimento voluto.

Biologia

La ricerca nel campo delle lesioni spinali, supportata dall’uso di diversi modelli sperimentali, rappresenta una scelta “indispensabile” per migliorare la conoscenza dei processi rigenerativi e riparativi del Sistema Nervoso Centrale e consentire lo sviluppo di strategie terapeutiche innovative di tipo chirurgico, cellulare e farmacologico. A oggi infatti, gli interventi chirurgici permettono solo di immobilizzare la colonna vertebrale, ma non conducono ad alcun miglioramento delle paralisi in quanto non è possibile una efficace rigenerazione del midollo spinale. Perché il midollo spinale non rigenera? Quali sono i fattori che ostacolano una corretta e funzionale rigenerazione? Numerosi e complessi meccanismi molecolari e cellulari contribuiscono al fallimento della rigenerazione assonale dopo il danno: le proteine associate alla mielina (fra tutte la presenza di NOGO), la deposizione di matrice extracellulare con effetto inibitorio nei siti di lesione, la mancanza o l’estrema scarsità di stimoli ambientali positivi come quelli forniti dai fattori di crescita. Sulla base delle considerazioni fatte sopra, seppure il modello animale rappresenti una tappa obbligata per studiare la rigenerazione del midollo spinale, la comprensione dettagliata dei suoi aspetti biologici e le problematiche legate all’utilizzo di modelli ‘in vivo’ hanno condotto gli scienziati ad escogitare metodi alternativi. Le colture organotipiche di midollo possono essere un valido strumento per lo studio della rigenerazione assonale nel danno spinale, rappresentando un compromesso utile fra lo studio in vitro come quello delle colture cellulari e lo studio in vivo con il modello animale. Questa tipologia di coltura ex vivo infatti, permette il controllo dell’ambiente extracellulare e un facile e ripetuto accesso mantenendo pressoché intatta la morfologia e le connessioni sinaptiche locali in vitro. La Fondazione ‘’Giorgio Brunelli per la ricerca sulle Lesioni del Midollo Spinale E.S.C.R.I. ONLUS’’, anche a seguito alle difficoltà burocratiche per l’utilizzo di modelli sperimentali animali, ha deciso di intra- prendere anche questo percorso di studio. Lo sta facendo utilizzando tre elementi: preparati piastrinici, cellule staminali mesenchimali e fattori di crescita nervosi; il tutto per creare un microambiente favorente e permissivo alla rigenerazione assonale che possa contrastare i fattori che la ostacolano. I concentrati piastrinici, detti anche “gel piastrinici”, rappresentano un’interessante ed innovativa metodologia utilizzata nell’ambito della rigenerazione tissutale. Tali preparati basano la propria potenzialità rigenerativa sul ricco contenuto in fattori di crescita che sono necessari per l’induzione della proliferazione cellulare, il rimodellamento della matrice extracellulare e i processi di neovascolarizzazione che si attuano durante le diverse fasi della rigenerazione di diversi tessuti. Le cellule staminali rappresentano un’enorme promessa per introdurre nuovi neuroni o cellule gliali nel Sistema Nervoso danneggiato. Esse sono infatti una grande risorsa per la ricerca e per una potenziale terapia a causa della loro multipotenzialità, del fatto che possono esser propagate in vitro, legate con markers genetici o geni terapeutici e impiantate nel Sistema Nervoso. Infine i fattori neurotrofici quali il Nerve Growth Factor (NGF), il Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF) e la Neurotrophin-3 (NT-3) giocano un ruolo imprescindibile. Questi tre elementi, combinati tra loro, sono utilizzati in colture e coculture organotipiche di midollo spinale e corteccia encefalica di ratto [(a) singola slice di midollo spinale, (b) cocultura di due slices di midollo spinale, (c) cocultura di due slices rispettivamente di corteccia e midollo, (d) tratto cortico-spinale in vitro – corteccia, ponte, midollo]. Questa è la nuova strada della ricerca della Fondazione.