Muovere, orientare e modellare le cellule senza contatto fisico rappresenta una delle sfide più complesse della biotecnologia contemporanea. Per questo motivo, un gruppo di ricerca dell’Istituto di scienze applicate e sistemi intelligenti “Eduardo Caianiello” del Consiglio nazionale delle ricerche di Pozzuoli (Cnr-Isasi) ha sviluppato una piattaforma che utilizza stimoli luminosi per controllare il comportamento cellulare.
Il sistema sfrutta cristalli di niobato di litio con proprietà ferroelettriche, che generano campi elettrici quando una sorgente luminosa li colpisce con pattern strutturati. In questo modo, i ricercatori possono influenzare la morfologia e il movimento delle cellule senza elettrodi e senza collegamenti fisici. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista scientifica “Advanced Functional Materials”.
Campi elettrici generati dalla luce
Il funzionamento della piattaforma dipende dall’effetto fotovoltaico dei cristalli ferroelettrici. Quando la luce colpisce il materiale, sulla superficie si formano micro-pattern di carica elettrica che funzionano come elettrodi virtuali.
Di conseguenza, il sistema modifica il microambiente elettrico in cui si trovano le cellule e ne orienta comportamento e struttura.
“Questo approccio rappresenta un cambio di paradigma nel bio-handling”, spiega Lisa Miccio, ricercatrice del Cnr-Isasi che ha coordinato 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”.
Secondo la ricercatrice, in prospettiva questo sistema wireless potrebbe offrire nuovi strumenti per studiare la rigenerazione dei tessuti e i processi di guarigione.
I test sui fibroblasti
Per verificare l’efficacia della piattaforma, i ricercatori hanno testato il sistema su fibroblasti NIH-3T3, cellule modello utilizzate negli studi di biologia molecolare.
I risultati mostrano effetti chiari. In particolare, l’80% delle cellule si allinea seguendo la geometria del campo elettrico generato dalla luce. Allo stesso tempo, circa la metà delle cellule osservate manifesta un fenomeno di compressione del nucleo, noto come nuclear squeezing.
Questi dati indicano che la tecnologia può modificare in modo controllato l’organizzazione e la dinamica cellulare, intervenendo direttamente sul microambiente elettrico.
Stimoli elettrici modificabili in tempo reale
Un’altra caratteristica della piattaforma riguarda la possibilità di modificare dinamicamente i campi elettrici generati sulla superficie del materiale.
“La peculiarità di questa piattaforma risiede nella sua natura dinamica e reversibile”, osserva Pietro Ferraro, ricercatore del Cnr-Isasi. “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”.
Inoltre, i ricercatori monitorano il comportamento cellulare attraverso microscopia olografica digitale, che consente di osservare le variazioni di forma e movimento tramite mappe quantitative.
Le possibili applicazioni
La possibilità di manipolare le cellule senza contatto fisico e con elevata precisione spaziale apre nuove prospettive nella ricerca biomedica.
Per esempio, la tecnologia potrebbe trovare applicazioni nell’ingegneria dei tessuti, nella stimolazione neuronale e nello studio dei segnali elettrici tra cellule. Allo stesso tempo, l’assenza di elettrodi e alimentatori esterni semplifica l’uso della piattaforma nei laboratori.
Lo studio rientra nel progetto PRIN 2022 “All-optical Stimulation and Sensing Of Neurons on fErroelectric platform (ASSONE)”, che sviluppa tecnologie ottiche per analizzare e modulare le funzioni cellulari e neuronali.
