Verso lo sviluppo di un biosensore ottico basato su cellule: studio di cristalli fotonici in silicio microlavorato come dispositivi micro-ottici per il monitoraggio di attività cellulari

Responsabile scientifico: Prof.ssa Sabina Merlo

Questo progetto interdisciplinare, realizzato grazie alla stretta collaborazione fra biologi ed ingegneri elettronici, ha permesso di dimostrare che dispositivi ottici miniaturizzati in silicio possono svolgere le funzioni di microincubatori per studiare la crescita di cellule in ambienti tridimensionali e, allo stesso tempo, di trasduttori ottici delle loro attività morfofunzionali.

Con processi tecnologici simili a quelli usati per la fabbricazione dei chip dei circuiti microelettronici, siamo riusciti a realizzare microstrutture ottiche tridimensionali (di grandezza confrontabile a quella delle cellule) costituite da schiere periodiche di pareti di silicio alternate ad intercapedini d’aria, con spessori di pochi micrometri.

Si tratta di “cristalli fotonici artificiali” le cui caratteristiche ottiche variano sensibilmente in presenza di cellule, o di altro materiale biologico, nelle intercapedini. Dal punto di vista biologico, abbiamo dimostrato che queste strutture si comportano da microincubatori tridimensionali selettivi: solo linee cellulari con fenotipo mesenchimale riescono a crescere adese alle pareti verticali di silicio popolando attivamente le strette intercapedini del cristallo fotonico.

Gli stessi dispositivi possono essere interrogati con fibre ottiche, cioè con sistemi di misura miniaturizzati e flessibili, per rilevare la morfologia delle cellule cresciute nel microincubatore senza l’utilizzo di altri marcatori esogeni (ad es., sonde fluorescenti).
Obiettivo a lungo termine, da perseguire con altri finanziamenti, è quello di utilizzare tutta la potenzialità dei cristalli fotonici a fornire informazioni su come le cellule vivono e si modificano al loro interno, anche a seguito di modulazioni e perturbazioni indotte dall’esterno. Le ricerche su nuovi farmaci (specialmente antitumorali) passano infatti attraverso la valutazione dei loro effetti su proliferazione, differenziamento, apoptosi e morte cellulare.

Gli studi dell’interazione fra cristalli fotonici, che rappresentano la frontiera della ricerca scientifica sui materiali ottici, e strutture biologiche cellulari potrebbero portare in futuro ad importanti risultati nel campo della biomedicina. Enti coinvolti:

• Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione – Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Pavia
• Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione: Elettronica, Informatica, Telecomunicazioni – Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Pisa
• Istituto di Genetica Molecolare – CNR – Pavia e Dipartimento di Biologia e Biotecnologie – Università degli Studi di Pavia

Le ricerche finanziate dalla FAMT hanno permesso di ottenere ceppi batterici superproduttori di γ-PGA che potranno essere utilizzati per fermentazioni su scala industriale. Parallelamente, è stata esplorata una strategia sintetica innovativa per la funzionalizzazione del γ-PGA, usando condizioni di reazione blande ed ecosostenibili. Questo approccio potrà essere applicato alla realizzazione di nuovi materiali biocompositi, utilizzabili nell’ingegneria tissutale o nel packaging biodegradabile, e alla produzione di nanoparticelle come carrier di farmaci e biomolecole.