Bio-fotovoltaico per il controllo “wireless” delle cellule
Un team di ricerca del Cnr-Isasi ha sviluppato una piattaforma innovativa in grado di manipolare, tramite stimoli elettrici, la morfologia e il movimento cellulare senza elettrodi, grazie all'impiego di cristalli di niobato di litio. Lo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Advanced Functional Materials, apre nuove frontiere nella medicina rigenerativa
Controllare il comportamento delle cellule – come si muovono, come aderiscono a una superficie e persino la forma del loro nucleo – è una delle sfide cruciali della biotecnologia moderna. Fino ad oggi, questo controllo richiedeva complessi processi di micro-fabbricazione per integrare elettrodi fissi su supporti biocompatibili, limitando drasticamente la flessibilità spaziale e temporale degli esperimenti.
Oggi, uno studio condotto dall’Istituto di scienze applicate e sistemi intelligenti “Eduardo Caianiello” del Consiglio nazionale delle ricerche di Pozzuoli (Cnr-Isasi) supera tale limite attraverso una innovativa interfaccia bio-fotovoltaica completamente guidata dalla luce. La ricerca, pubblicata su Advanced Functional Materials – rivista statunitense del gruppo Wiley – dimostra come sia possibile manipolare le cellule e influenzarne le funzioni in modalità wireless e non invasiva sfruttando i campi elettrici generati dall’effetto fotovoltaico in cristalli di niobato di litio drogati con ferro.
Il cuore della tecnologia risiede nelle proprietà ferroelettriche del cristallo: quando colpito da una sorgente luminosa strutturata, il materiale genera dei “micro-pattern” di carica elettrica sulla sua superficie che agiscono come elettrodi virtuali. “Questo approccio rappresenta un cambio di paradigma nel bio-handling”, sottolinea Lisa Miccio ricercatrice del Cnr-Isasi che ha condotto lo studio. “Sfruttando l’effetto fotovoltaico dei cristalli ferroelettrici, abbiamo eliminato la necessità di fili, elettrodi e processi litografici costosi. È una tecnologia ‘all-optical’ che trasforma il materiale di supporto in un attuatore intelligente. In futuro, questo sistema wireless potrebbe rivoluzionare lo studio della rigenerazione dei tessuti e della guarigione delle ferite, offrendo uno strumento senza precedenti per guidare il destino cellulare”.
Una prima sperimentazione è stata condotta su fibroblasti NIH-3T3 (ovvero cellule modello riprodotte in vitro normalmente utilizzate nel campo della biologia molecolare): i risultati confermano l’efficacia del sistema, con l’80% delle cellule che si è allineato seguendo la geometria del campo elettrico indotto, mentre il 50% ha mostrato uno schiacciamento del nucleo (nuclear squeezing) in risposta agli stimoli.
La piattaforma permette inoltre un monitoraggio dinamico senza precedenti grazie alla microscopia olografica digitale. Aggiunge Pietro Ferraro (Cnr-Isasi) spiega: “La peculiarità di questa piattaforma risiede nella sua natura dinamica e reversibile. A differenza dei substrati tradizionali, dove le geometrie di stimolazione sono fisse, qui possiamo ‘scrivere’ e ‘cancellare’ i segnali elettrici per le cellule in tempo reale. Questo ci ha permesso di osservare per la prima volta come una cellula viva adatta la propria traiettoria e morfologia a un ambiente elettrico che cambia sotto i nostri occhi, monitorando il tutto attraverso mappe di fase quantitativa”.
Manipolare le cellule senza contatto fisico e con una risoluzione spaziale elevatissima apre la strada ad applicazioni avanzate nell’ingegneria dei tessuti, nella stimolazione neuronale e nello studio dei segnali elettrici intercellulari. Evitando i limiti della litografia tradizionale e l’uso di alimentatori esterni, la piattaforma si propone come uno strumento di ricerca fondamentale per la biologia cellulare del futuro, permettendo di comprendere come gli organismi viventi si adattino a modifiche controllate e dinamiche del loro microambiente.
Lo studio è stato sviluppato nell’ambito del progetto PRIN 2022 “All-optical Stimulation and Sensing Of Neurons on fErroelectric platform (ASSONE)”.
