Ossigeno su misura nelle colture cellulari: un sistema innovativo per studiare tumori e nuovi farmaci

Nei tessuti del corpo umano l'ossigeno non si distribuisce in modo uniforme: si dispone in quantità diverse, secondo gradienti complessi che condizionano profondamente il comportamento delle cellule, in particolare di quelle tumorali. Replicare questa complessità in laboratorio è da sempre una delle sfide più difficili della ricerca biomedica. Ora un gruppo di ricercatori dell'Università di Bologna ha trovato un modo elegante e accessibile per farlo.

Il sistema – presentato con un articolo sulla rivista Device di Cell Press – si basa su un biomateriale “attivo” (un idrogel composto da proteine ed enzimi) che viene depositato con tecniche di microfabbricazione e stampa digitale sul fondo delle normali piastre di coltura cellulare. Una volta posizionato, il materiale consuma ossigeno in modo controllato, generando gradienti tridimensionali che imitano quelli presenti nei tessuti vivi.

“Nelle colture cellulari tradizionali la distribuzione dell’ossigeno è uniforme, ma nel corpo umano non è così”, spiega Stefania Rapino, professoressa al Dipartimento di Chimica "Giacomo Ciamician" dell’Università di Bologna, che ha coordinato lo studio. “Le cellule percepiscono infatti livelli di ossigeno molto diversi a seconda della loro posizione: il nostro obiettivo era ricreare questa complessità in modo semplice e accessibile”.

A differenza di approcci più complessi – come la produzione di organoidi o l’utilizzo di tecnologie “organ-on-chip” – il nuovo dispositivo non richiede strumentazioni sofisticate come incubatori ipossici o sistemi di microfluidica avanzata. Al contrario, può essere integrato facilmente nelle procedure di laboratorio già esistenti, mantenendo al tempo stesso un alto grado di controllo sull’ambiente cellulare.

E i risultati sperimentali ne confermano l'efficacia. Testato su colture cellulari di tumore al seno, il nuovo dispositivo ha permesso di ricreare reazioni ai gradienti di ossigeno del tutto simili a quelle osservate nei tessuti reali.

"I test che abbiamo realizzato sulle cellule tumorali mostrano adattamenti tipici delle condizioni di ipossia, come la riduzione della crescita nelle aree più povere di ossigeno e l’attivazione di specifici meccanismi molecolari legati alla sopravvivenza tumorale", conferma Rapino. "Si tratta di un risultato particolarmente rilevante perché l’ipossia è una caratteristica chiave di molti tumori ed è associata alla progressione della malattia e alla resistenza alle terapie".

Altro punto di forza del nuovo sistema è la sua versatilità: consente infatti di osservare e analizzare le cellule con tecniche standard di laboratorio, recuperandole facilmente per studi molecolari successivi, e può quindi essere utilizzato sia per la ricerca di base sia per applicazioni più avanzate, come lo screening di farmaci.

La nuova tecnologia è già stata valorizzata sul piano industriale: è protetta da due brevetti dell'Università di Bologna e ha dato vita allo spin-off accademico InSimili, nato con l'obiettivo di portare questa innovazione verso applicazioni concrete in ambito biomedico e industriale.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Device di Cell Press con il titolo “Microfabrication of cell culture microenvironments with spatially controlled oxygen levels”. Per l’Università di Bologna hanno partecipato Maila Becconi, Marco Malferrari, Daniela Salvatore, Francesco Zerbetto e Stefania Rapino del Dipartimento di Chimica “Giacomo Ciamician”, insieme a Andreas Lesch (Dipartimento di Chimica Industriale “Toso Montanari”), Isabella Zironi (Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”), Maria Conte, Stefano Salvioli e Gastone Castellani (Dipartimento di Scienze Mediche e Chirurgiche).