Un team di ricercatori statunitensi ha sviluppato un innovativo sensore nanoelettronico che misura simultaneamente l’attività elettrica e meccanica nelle cellule cardiache, aprendo la strada a approcci migliori agli studi sulle malattie cardiache, ai test farmacologici e alla medicina rigenerativa. Quindi, come funziona esattamente il sensore? Quali sono i principali vantaggi rispetto agli approcci esistenti? E quali sono i prossimi passi per il gruppo di ricerca?
Sensore nanoelettronico
Le malattie cardiache restano ostinatamente in cima alla lista delle principali cause di mortalità umana, e l’interesse per il loro studio resta una priorità all’interno della comunità scientifica. Durante tali studi, generalmente è molto più comodo da usare in vitro tessuto che esiste al di fuori del corpo umano – e di essere in grado di monitorare costantemente lo stato dei tessuti con interruzioni minime.
Nel tentativo di ottimizzare tali processi, i ricercatori del University of Massachusetts Amherst e la University of Missouri hanno creato un minuscolo sensore nanoelettronico, molto più piccolo di una singola cellula, in grado di misurare simultaneamente le risposte cellulari elettriche e meccaniche nel tessuto cardiaco. E lo fa in modo tale che la cellula o il tessuto indagato non “senta” nulla di strano inserito al suo interno.
Poiché le risposte elettriche e meccaniche delle cellule sono strettamente correlate, attraverso il processo di accoppiamento eccitazione-contrazione, la loro misurazione simultanea è fondamentale per identificare i meccanismi fisiologici e patologici.
Come capogruppo Jun Yao spiega, i sensori esistenti possono rilevare solo l'attività elettrica o meccanica nel tessuto o nella cellula cardiaca. «Avevamo bisogno di rilevare entrambi i segnali contemporaneamente per monitorare meglio lo stato dei tessuti e rivelare informazioni più meccanicistiche», afferma.
I nuovi nanosensori sono realizzati con materiali inorganici o organici rigorosamente testati per garantirne la biocompatibilità. Il sensore incorpora un nanofilo di silicio semiconduttore sospeso che è 100 volte più piccolo di una cella e non è tossico per la cella. "Immagina che sia una piccola corda sospesa: se la tiri, può sentire la tensione", spiega Yao. “Quindi è così che può rilevare il segnale meccanico dalle cellule. Nel frattempo, immaginiamo che sia un cavo conduttore, il che significa che può anche rilevare i segnali elettrici provenienti dalle cellule”.
Prossimi passi
Secondo Yao, i nanosensori sono attualmente fabbricati su un substrato piatto a base di biochip, con cellule cardiache coltivate sopra. Tuttavia, in futuro, esiste la possibilità che possano essere incorporati nei tessuti con una distribuzione 3D.
"I sensori possono essere posizionati in modelli di tessuto all'esterno del corpo, che possono essere utilizzati per testare variabili chiave come gli effetti dei farmaci, in modo che il sensore fornisca feedback sull'effetto del farmaco sul tessuto o sulle cellule cardiache", spiega Yao. “Il tessuto cardiaco è guidato dal cosiddetto meccanismo eccitazione-contrattile – il primo è un processo elettrico e il secondo un processo meccanico – e dobbiamo monitorarli entrambi per fornire il feedback più accurato. I sensori precedenti possono rilevarne solo uno; ora possiamo monitorare entrambi i processi insieme”.
Piccoli array di transistor registrano l’attività elettrica all’interno delle cellule cardiache
Guardando più avanti, Yao rivela che esiste anche la possibilità che i sensori possano essere integrati su quello che lui descrive come un “substrato consegnabile”, in modo che possano essere applicati su un cuore vivente per il monitoraggio della salute e la diagnosi precoce delle malattie.
"Questo può sembrare spaventoso, ma immagina che tutto sia così piccolo da non introdurre disturbi nel cuore", dice. “Il prossimo passo è tradurre l’attuale integrazione del biochip planare in un’integrazione 3D, in modo che i sensori raggiungano le cellule nello spazio 3D. Un modo possibile è integrare questi sensori su un’impalcatura di tessuto morbido e poroso che possa incorporarsi naturalmente nel tessuto 3D”.
I ricercatori descrivono le loro scoperte in Anticipi Scienza.
