I ricercatori della University of California San Diego School of Medicine e i loro collaboratori hanno sviluppato una tecnica che consente loro di accelerare o rallentare le cellule del cuore umano che crescono in un piatto a comando, semplicemente illuminandole con una luce e variandone l'intensità. Le cellule sono cresciute su un materiale chiamato grafene, che trasforma la luce in elettricità, fornendo un ambiente più realistico rispetto ai piatti da laboratorio standard in plastica o vetro.

Il metodo, descritto nel numero del 18 maggio di Progressi scientifici , potrebbe essere utilizzato per una serie di ricerche e applicazioni cliniche, tra cui:testare farmaci terapeutici in sistemi più biologicamente rilevanti, sviluppare farmaci specifici per l'uso più precisi e con minori effetti sistemici, e creare dispositivi medici migliori, come pacemaker controllati dalla luce.

"Quando abbiamo iniziato a farlo funzionare nel nostro laboratorio, improvvisamente abbiamo avuto qualcosa come 20 persone che si sono radunate intorno, gridando cose come 'Impossibile!' e accusandomi di avergli fatto uno scherzo. Non avevamo mai visto niente di simile prima, " ha detto il primo autore Alex Savchenko, dottorato di ricerca, ricercatore presso il Dipartimento di Pediatria della UC San Diego School of Medicine e del Sanford Consortium for Regenerative Medicine. Savchenko ha condotto lo studio con Elena Molokanova, dottorato di ricerca, CEO di Nanotools Bioscience.

Mentre per certi versi semplicemente una versione più sottile della grafite ("mina di matita"), le proprietà uniche del grafene sono state veramente apprezzate solo in tempi relativamente recenti, uno sforzo riconosciuto con il Premio Nobel per la Fisica 2010, assegnato ad Andre Geim, dottorato di ricerca, e Kostantin Novoselov, dottorato di ricerca, entrambi fisici presso l'Università di Manchester nel Regno Unito. Il grafene è un semimetallo costituito da un reticolo di atomi di carbonio, lo stesso elemento che costituisce la base di tutti gli organismi viventi. Parte di ciò che rende speciale il grafene è la sua capacità di convertire efficacemente la luce in elettricità. In contrasto, il vetro e la plastica sono isolanti:non conducono elettricità. La maggior parte della ricerca biomedica si basa su singole cellule o colture cellulari coltivate in piastre di Petri di plastica o su lastre di vetro.

"Eppure nel tuo corpo, non vedi molte superfici che si comportano come plastica o vetro, "Savchenko ha detto. "Invece, siamo conduttivi. I nostri cuori sono estremamente bravi a condurre l'elettricità. Nel cervello, è la conduttività elettrica che mi permette di pensare e parlare allo stesso tempo."

Savchenko, Molokanova e altri ricercatori hanno notato che le cellule in laboratorio crescono meglio sul grafene rispetto ad altri materiali, e si comportano più come le cellule del corpo. Savchenko e Molokanova attribuiscono il loro background in fisica per averli aiutati a guardare i sistemi biologici in modo leggermente diverso dalla maggior parte degli altri.

In questo studio, i ricercatori hanno generato cellule cardiache da cellule della pelle donate, tramite un tipo di cellula intermedio chiamato cellula staminale pluripotente indotta (iPSC). Quindi hanno coltivato queste cellule cardiache derivate da iPSC su una superficie di grafene.

Savchenko ha affermato che il team ha impiegato un po' di tempo per definire la formulazione ottimale a base di grafene. Quindi hanno dovuto trovare la migliore fonte di luce e il modo per fornire quella luce al sistema di celle di grafene. Ma alla fine hanno trovato un modo per controllare con precisione la quantità di elettricità generata dal grafene variando l'intensità della luce a cui lo hanno esposto.

"Siamo rimasti sorpresi dal grado di flessibilità, che il grafene ti permette di stimolare le cellule letteralmente a piacimento, "Savchenko ha detto. "Vuoi che battono due volte più velocemente? Nessun problema:basta aumentare l'intensità della luce. Tre volte più veloce? Nessun problema:aumenta la densità della luce o del grafene."

Savchenko e colleghi hanno scoperto che potrebbero anche controllare l'attività cardiaca in un organismo vivente (embrioni di zebrafish) usando la luce e il grafene disperso.

Il team è rimasto sorpreso anche dall'assenza di tossicità, che spesso presenta ai ricercatori una sfida enorme. "Normalmente, se introduci un nuovo materiale in biologia, ti aspetteresti di vedere un certo numero di cellule uccise nel processo, " Ha detto Savchenko. "Ma non abbiamo visto niente di tutto questo. Ci fa sperare che saremo in grado di evitare problemi dannosi in seguito, mentre testiamo varie applicazioni mediche."

I ricercatori sono entusiasti delle molte possibili applicazioni di questo nuovo sistema grafene/luce. Un potenziale utilizzo è nello screening dei farmaci. Attualmente, i ricercatori utilizzano la tecnologia robotica per testare centinaia di migliaia di composti chimici, esaminandoli per le loro capacità di cambiare il comportamento di una cellula. Quei composti che hanno l'effetto desiderato sono ulteriormente studiati per il loro potenziale come nuovo farmaco terapeutico. Però, molti composti benefici potrebbero essere persi perché i loro effetti non sono immediatamente evidenti nella condizione in cui vengono coltivate le cellule di prova, su plastica, fuori dal contesto della malattia.

Per esempio, i ricercatori possono testare i farmaci su cellule cardiache cresciute in un piatto da laboratorio di plastica standard. Ma quelle cellule si stanno contraendo al proprio ritmo, non modellare le condizioni che potrebbero esistere subito prima che una persona abbia un attacco di cuore. I farmaci che testano su quelle cellule potrebbero non sembrare nulla se sono dipendenti dall'uso, il che significa che i farmaci hanno un effetto solo in determinate condizioni.

Per testare questa applicazione, la squadra ha aggiunto mexiletine, un farmaco usato per trattare il battito cardiaco irregolare (aritmie), alle loro cellule del cuore. La mexiletina è nota per essere dipendente dall'uso:ha effetto solo quando c'è un aumento della frequenza cardiaca, come accade durante un'aritmia. I ricercatori hanno illuminato le loro cellule del cuore sul grafene con luce di diversa intensità. Più velocemente fanno battere le cellule del cuore, la migliore mexiletina li inibiva.

Per adesso, il team si concentra su cellule cardiache e neuroni. Ma sono interessati ad eventualmente applicare il loro sistema grafene/luce per cercare farmaci che uccidono specificamente le cellule cancerose, lasciando sole le cellule sane. I ricercatori prevedono anche di utilizzare il grafene per trovare alternative agli oppioidi:farmaci antidolorifici dipendenti dall'uso che funzionano solo quando e dove una persona soffre, riducendo così gli effetti sistemici che possono portare all'abuso e alla dipendenza. Finalmente, Savchenko ritiene che i pacemaker controllati dalla luce in grafene potrebbero essere più sicuri ed efficaci dei modelli attuali.

C'è molto lavoro da fare, ma Savchenko è ottimista. "Puoi spremere un semestre di esperimenti sugli animali in un giorno di esperimenti con questo sistema a base di grafene, " Egli ha detto.