Una bio-piattaforma optoelettronica per la coltura delle cellule: a realizzarla è stato un team internazionale di ricercatori - guidato dall’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” e composto anche dalla Libera Università di Bolzano - che ha indagato il comportamento cellulare riscontrando una relazione tra l’aumento di calcio intracellulare, in seguito alla stimolazione della luce, e il rallentamento della proliferazione delle cellule tumorali.

In sostanza lo studio, pubblicato sulla rivista internazionale open access “Advanced NanoBioMed Research”, ha dimostrato che è possibile inibire la proliferazione cellulare del 50% in una linea cellulare tumorale sottoponendo la piattaforma a una serie di impulsi luminosi nel tempo.

Ne abbiamo parlato con Manuela Ciocca, assegnista di ricerca postdoc alla Facoltà di Ingegneria dell’unibz ma precedentemente dottoranda presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica a “Tor Vergata”, dove ha iniziato il progetto, e primo autore del lavoro pubblicato.

Dottoressa Ciocca, ci spiega più in dettaglio in cosa consiste la vostra innovazione?

Abbiamo progettato e realizzato una piattaforma foto-sensibile per colture cellulari. La piattaforma si basa su un polimero organico semiconduttivo biocompatibile e fotosensibile che, opportunamente processato, è in grado di trasdurre uno stimolo luminoso in uno stimolo elettrico adatto ad influenzare l'attività delle cellule cresciute su di esso.
Questo processo di foto-trasduzione mediato dal dispositivo opto-elettronico ci ha permesso di riuscire ad inibire del 50% la proliferazione di una linea cellulare tumorale di neuroblastoma. Le cellule vengono seminate e coltivate sul polimero e sottoposte ad un protocollo di stimolazione luminosa. Gli stimoli luminosi vengono convertiti in stimoli elettrici dal polimero foto-sensibile e quindi diventano stimoli elettrici per le cellule che hanno l'effetto di inibire la proliferazione cellulare.

Nel nostro lavoro di ricerca il protocollo di illuminazione delle cellule di una linea tumorale di neuroblastoma umano ha determinato un rallentamento della proliferazione cellulare

Da dove è iniziato tutto?

Tutto è cominciato durante il mio percorso di studi. Ho conseguito la laurea magistrale in Ingegneria Medica e il dottorato di ricerca in Ingegneria Elettronica all'Università di Roma Tor Vergata sotto la supervisione del prof. Thomas Brown. Mi sono occupata principalmente di bioelettronica, ovvero l'unione della biologia con elettronica. È un campo di ricerca nuovo, multidisciplinare e molto affascinante in cui i sistemi biologici vengono integrati con sistemi elettronici biocompatibili e in cui la tecnologia viene utilizzata per monitorare, controllare e stimolare i sistemi biologici. Questo ci permette di studiare molti processi biologici ma anche di influenzarli e quindi di controllarli. In particolare questo lavoro sulla piattaforma foto-sensibile è stato possibile grazie ad un lavoro multidisciplinare che ha coinvolto vari istituti di ricerca a livello internazionale: Libera Università di Bolzano (Facoltà di Ingegneria), Istituto di Struttura della Materia (CNR-ISM, Roma), Cicci Research (Grosseto), ed Eurac Research (Istituto di Biomedicina, Bolzano), Penn State University (Pennsylvania, USA) e l'Università di Roma “Tor Vergata” dove ho iniziato il lavoro.

Com’è fatto il dispositivo?

È composto da un polimero organico semiconduttivo che viene depositato in forma di film sottile su un substrato di vetro conduttivo. Il polimero è immerso in un liquido biologico elettrolitico simile all'ambiente extracellulare, confinato in una camera realizzata di un materiale termoplastico. Sul polimero vengono seminate e coltivate cellule viventi e sottoposte ad uno specifico protocollo di stimolazione luminosa. Utilizzando un controelettrodo, il dispositivo si può chiudere in una configurazione a sandwich che permette anche la misura dell'attività bioelettrica delle cellule.
 

Come funziona in breve la piattaforma?

Gli stimoli luminosi vengono mediati dal polimero semiconduttivo e convertiti in segnali elettrici che stimolano le cellule cresciute sul film polimerico. Il processo di foto-trasduzione è un effetto fotovoltaico (il polimero organico che abbiamo utilizzato infatti è ampiamente impiegato per realizzazione di celle solari organiche), ma l'aspetto più importante è che in presenza di un elettrolita, il polimero semiconduttivo è in grado di condurre sia elettroni (segnali elettrici) che ioni (segnali biologici) facendo quindi comunicare tra loro i materiali elettronici con i sistemi biologici.

Quali sono le applicazioni di questo strumento? Può fare degli esempi pratici?

La piattaforma fotosensibile può essere utilizzata per la misurazione e il controllo di cellule viventi tramite impulsi luminosi. Le applicazioni sono molteplici dalla terapia-cellulare alla diagnostica. Ad esempio si possono studiare i segnali bioelettrici relativi a specifici processi cellulari (ciclo cellulare, accumulo di calcio intracellulare, attività metabolica delle cellule) e si possono controllare i processi cellulari come la proliferazione o l'invecchiamento cellulare. Tutto ciò apre nuove possibilità nel campo della medicina rigenerativa e delle terapie-cellulari.

Si possono schiudere nuove opportunità per tecniche non invasive di fotostimolazione/manipolazione e controllo delle cellule per applicazioni in biofotonica, biomedicina e terapie innovative per cure di tumori

Al momento la ricerca come sta testando tale tecnologia?

Questa tecnologia di foto-stimolazione e foto-manipolazione delle cellule è davvero promettente. L’interfaccia di polimeri organici e sistemi biologici è una delle più nuove frontiere della bioelettronica e delle biotecnologie.
Nel nostro lavoro di ricerca il protocollo di illuminazione delle cellule di una linea tumorale di neuroblastoma umano ha determinato un rallentamento della proliferazione cellulare. Questo effetto è dovuto all’apertura dei canali ionici della membrana cellulare a seguito della foto-trasduzione indotta dalla piattaforma foto-sensibile. L'inibizione della proliferazione delle cellule tumorali è un risultato molto interessante, ora però dovremo studiare quali proteine intracellulari sono coinvolte ed influenzate dalla piattaforma, la possibilità di controllare altri processi cellulari e altre linee cellulari come le cellule della pelle (i fibroblasti) o cellule pluripotenti (ovvero non differenziate) per direzionare selettivamente il loro differenziamento.

Quali strade potranno aprire i vostri risultati?

Si possono schiudere nuove opportunità per tecniche non invasive di fotostimolazione/manipolazione e controllo delle cellule per applicazioni in biofotonica, biomedicina e terapie innovative per cure di tumori. La piattaforma foto-sensibile e l'uso efficace della stimolazione della luce possono aprire nuove strade per il controllo, in vitro, del comportamento cellulare attraverso la luce, per lo sviluppo di futuri nuovi strumenti non invasivi per l'applicazione in biorilevamento, medicina rigenerativa e terapia basata sulle cellule e per il controllo e la terapia della progressione del cancro.