Ricerche

Un team italo-statunitense coordinato da due studiose del Cnr ha messo a punto un approccio sperimentale che, grazie a nanofili vetrosi e trasparenti, permette di riprodurre in laboratorio la morfologia degli astrociti simile a quella assunta nel cervello: la combinazione con tecniche di scansione 3D avanzato consente di studiarli con un grado di dettaglio finora difficilmente raggiungibile in laboratorio. I risultati aprono nuove frontiere per la comprensione di patologie neurodegenerative e la sperimentazione di nuovi possibili terapie

Astrociti primari di ratto differenziati su nanofili di vetro (Foto: CNR)

Un team di ricerca italo-statunitense composto da ricercatrici dell’Istituto per la microelettronica e i microsistemi del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma (Cnr-Imm) e dell’Istituto per la sintesi organica e la fotoreattività di Bologna (Cnr-Isof), e da colleghi del Department of Mechanical Engineering della Johns Hopkins University di Baltimora (USA), ha sviluppato una strategia sperimentale che consente di ricreare e studiare in laboratorio una morfologia cellulare molto simile a quella che le cellule del cervello, in particolare gli astrociti, assumono in vivo.

Lo studio, pubblicato su Advanced Science, ha dimostrato che la combinazione di nanomateriali trasparenti con tecniche avanzate di scansione ottica tridimensionale (3D) permette di osservare in vitro la morfologia naturale di queste cellule con un livello di dettaglio e realismo difficilmente ottenibile con gli approcci convenzionali. Al centro della ricerca vi è l’integrazione di nanofili vetrosi e trasparenti con la tecnica ottica Low-Coherence Holotomography (LC-HT), che fornisce una visualizzazione 3D ad alta risoluzione di cellule vive, senza ricorrere a marcatori fluorescenti e preservandone così l’integrità.

Grazie ai substrati dei nanofili vetrosi, progettati per fungere simultaneamente da supporto per la crescita delle colture cellulari e da componente integrata del microscopio LC-HT, i ricercatori sono riusciti a ricreare un ambiente in vitro in cui gli astrociti, cellule gliali fondamentali per il funzionamento del sistema nervoso centrale, mostrano una morfologia molto simile a quella naturale. Questo ha permesso di ottenere informazioni altrettanto realistiche su forma, volume e massa cellulari, offrendo un quadro molto più fedele rispetto alle colture tradizionali.

“Riprodurre in vitro strutture cellulari con morfologie che rispecchino fedelmente quelle presenti in vivo è una sfida cruciale per studiare la loro funzionalità biologica e l’origine di numerose patologie”, spiega Annalisa Convertino, ricercatrice di Cnr-Imm. “Con riferimento agli astrociti, quando questi sono coltivati in vitro su superfici planari, come i tradizionali vetrini da microscopio o le piastre di Petri, tendono ad appiattirsi, assumendo una forma poligonale priva delle ramificazioni tipiche, quelle che nel cervello permettono loro di formare una complessa rete indispensabile al supporto dell’attività neuronale. Al contrario, quando crescono sui nanofili, gli astrociti recuperano una morfologia stellata ricca di estensioni, molto simile a quella che assumono nel tessuto cerebrale: in questo modo possiamo studiarli in maniera molto più approfondita e precisa”.  

La tecnica, frutto di una forte sinergia tra competenze italiane e statunitensi, è innovativo in quanto unice nanotecnologie, biofotonica e ingegneria biomedica. “La tecnica LC-HT rappresenta un nuovo modo di esplorare la morfogenesi cellulare con un dettaglio 3D straordinario, senza alterare le caratteristiche molecolari delle cellule come invece avviene con tecniche di biologia molecolare più invasive che prevedono l’impiego di marcatori e di conseguenza l’impossibilità di osservare le cellule in tempo reale”, aggiunge Emanuela Saracino, ricercatrice di Cnr-Isof.

“Il segreto risiede nel combinare nanomateriali e tecniche biofotoniche in modo che si potenzino a vicenda. Questa integrazione permette di osservare meglio come le cellule crescono e comunicano con l’ambiente che le circonda, offrendo un nuovo modo per studiare in vitro i processi biologici”, commenta Ishan Barman, l'autore senior dello studio..

I risultati aprono una nuova frontiera nell’ambito della scansione cellulare applicata allo studio dello sviluppo cellulare, alla comprensione delle patologie neurodegenerative e alla sperimentazione di nuovi farmaci, grazie alla possibilità di osservare cellule vive senza marcatori e in condizioni fisiologiche realistiche. Una tecnica che, in prospettiva, permetterà di esplorare nuovi orizzonti della biomedicina e della biofisica, considerando questi progressi come un punto di partenza per indagare con maggiore precisione e realismo le proprietà del cervello, la complessa rete neuronale e la capacità delle cellule di comunicare e riorganizzarsi nei casi di malattie cerebrali.