Bio-fotovoltaico per il controllo “wireless” delle cellule

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)”.