Prot. 2022PREBHB - SynMech - A mechanogenetic toolkit to regulate synaptic connectivity

Obiettivo: Vogliamo sviluppare un kit mecano-genetico per regolare la connettività sinaptica dei circuiti neurali, con l'obiettivo finale di avanzare nella terapia per i disturbi cerebrali farmaco-resistenti. La stimolazione meccanica delle sinapsi è una strategia completamente nuova per regolare l'attività cerebrale. Contesto/Razionale: Il campo emergente della mecano-genetica tenta di controllare le reti neurali combinando i vantaggi dell'optogenetica con quelli delle stimolazioni magnetiche; come l'optogenetica, si basa su attuatori mirati per ottenere specificità del circuito mentre sfrutta i campi magnetici, che penetrano nei tessuti, per stimolare remotamente il cervello. Sebbene esistano alcuni approcci mecano-genetici per regolare il fuoco neuronale, mancano mezzi non invasivi per controllare remotamente le sinapsi, che sono difettose in molti disturbi cerebrali. Poiché sviluppi recenti indicano che le molecole di adesione sinaptica integrine funzionano come recettori biomeccanici, abbiamo ipotizzato che il loro targeting ci darebbe la possibilità di ottenere un controllo remoto della connettività sinaptica. Approccio: La tecnologia "mechano" del kit mecano-genetico si basa su nanoparticelle magnetiche funzionalizzate con ligandi per l'integrina β3 perisinaptica. La tecnologia "genetica" si basa sull'attivazione mediata da CRISPR della trascrizione per promuovere l'espressione dell'integrina β3, abbassando così la soglia energetica per la stimolazione meccanica delle sinapsi. Le nanoparticelle magnetiche saranno fornite a neuroni primari, organoidi cerebrali umani e al cortex del topo in vivo, dove si legheranno all'integrina β3 e fungeranno da attuatori dei campi magnetici applicati localmente. Porteremo questo kit attraverso test biologici in modelli umani e murini di un disturbo neurosviluppamentale (sindrome X fragile). Sfruttando le vie di segnalazione dei meccanorecettori sinaptici, miriamo a promuovere un cambiamento duraturo nella connettività funzionale e nell'attività della rete dei circuiti mirati. Produzione prevista: Il nostro approccio, basato su campi magnetici che penetrano liberamente nei tessuti e non sono ostacolati dalle dimensioni del cervello umano, è previsto avere un grande potenziale medico. È importante sottolineare che non cerchiamo di riparare una specifica mutazione genetica, ma di ottenere un controllo terapeutico della funzione sinaptica. La tecnologia che proponiamo non è quindi limitata a una specifica malattia ma in principio applicabile a qualsiasi disturbo cerebrale derivante da una connettività funzionale difettosa. Competenze: Per raggiungere questo ambizioso obiettivo, abbiamo riunito un consorzio interdisciplinare che interfaccia scienziati con competenze all'avanguardia nella bio-nanotecnologia e nell'editing del genoma con rinomati esperti nella differenziazione cellulare neuronale e nella segnalazione dei meccanorecettori sinaptici. Sfruttando queste competenze complementari, si prevede di sviluppare una tecnologia innovativa e versatile per il controllo remoto della connettività cerebrale, che rappresenterà una svolta per normalizzare l'attività delle reti nei prossimi dieci anni.

Objective: We aim to develop a mechanogenetic toolkit to regulate synaptic connectivity of neural circuits, with the ultimate goal of advancing therapy for treatment-resistant brain disorders. Mechanical stimulation of synapses is a completely novel strategy to regulate brain activity. Background/Rationale: The emerging field of mechanogenetics attempts to control neural networks by combining the advantages of optogenetics with those of magnetic stimulations; like optogenetics, it relies on targeted actuators to achieve circuit specificity while exploiting magnetic fields, which penetrate tissue, to stimulate remotely the brain. Although there exist some mechanogenetic approaches to regulate neuronal firing, we lack non-invasive means to control remotely synapses, which are defective in many brain disorders. Because recent developments indicate that the synaptic adhesion molecules integrins function as biomechanical receptors, we reasoned that targeting them would give us the possibility to gain remote control of synaptic connectivity. Approach: The ‘mechano’ technology of the mechanogenetic toolkit is based on magnetic nanoparticles functionalized with ligands for the perisynaptic β3 integrin. The ‘genetic’ technology relies on CRISPR-mediated activation of transcription to promote expression of β3 integrin, thus lowering the energy threshold for mechanical stimulation of synapses. The magnetic nanoparticles will be delivered to primary neurons, human brain organoids and the mouse cortex in vivo, where they will bind to β3 integrin and function as receptor actuators of locally applied magnetic fields. We will bring this toolkit through biological testing in human and mouse models of one neurodevelopmental disorder (fragile X syndrome). By hijacking the signaling pathways of synaptic mechanoreceptors, we aim to promot a lasting change in functional connectivity and network activity of the targeted circuits. Anticipated output: Our approach, based on magnetic fields that penetrate freely into tissue and are not hindered by the size of the human brain, is predicted to have great medical potential. Importantly, we do not attempt to repair a specific genetic mutation but to gain therapeutic control of synaptic function. The technology we propose is therefore not limited to a specific disease but in principle applicable to any brain disorder arising from defective functional connectivity. Expertise: To achieve this ambitious goal, we have gathered an interdisciplinary consortium interfacing scientists having cutting-edge know-how in bio-nanotechnology and genome-editing with renowned experts in neuronal cell differentiation and signaling of synaptic mechanoreceptors. By exploiting this complementary expertise, a novel, versatile technology for remote control of brain connectivity is envisaged, which will be a breakthrough for normalizing network activity within the following decade.