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Con tecnologie per monitorare la salute delle cellule isolate, potremmo diagnosticare e curare le malattie molto prima e non aspettare che l’intero organo sia danneggiato.
Gli ingegneri hanno sviluppato tatuaggi su scala nanometrica – punti e fili che aderiscono alle cellule vive – che possono aiutare i ricercatori nello sviluppo di sistemi di monitoraggio della salute delle singole cellule.
La nuova tecnologia consente per la prima volta il posizionamento di elementi ottici o elettronici su cellule vive con matrici simili a tatuaggi, che si attaccano e si conformano alla struttura esterna umida e fluida delle cellule.
“In futuro, vorremmo avere sensori per monitorare e controllare a distanza lo stato delle singole cellule e l’ambiente che le circonda in tempo reale”, ha detto David Gracias, professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Johns Hopkins University che ha guidato lo sviluppo della tecnologia.
“Se avessimo tecnologie per monitorare la salute delle cellule isolate, potremmo forse diagnosticare e curare le malattie molto prima e non aspettare che l’intero organo sia danneggiato”.
I dettagli sono pubblicati su Nano Letters.
Gracias, che lavora allo sviluppo di tecnologie di biosensori che non sono tossiche e non invasive per il corpo, ha detto che i tatuaggi colmano il divario tra cellule viventi o tessuti e sensori convenzionali e materiali elettronici. Sono essenzialmente come codici a barre o codici QR.
“Stiamo parlando di mettere qualcosa come un tatuaggio elettronico su un oggetto vivente decine di volte più piccolo della testa di uno spillo”, ha detto Gracias. “È il primo passo verso il collegamento di sensori ed elettronica su cellule vive”.
Le strutture sono state in grado di aderire alle cellule per 16 ore anche mentre le cellule si muovevano.
I ricercatori hanno costruito i tatuaggi sotto forma di matrici con oro, un materiale noto per la sua capacità di prevenire la perdita di segnale o la distorsione nel cablaggio elettronico.
Hanno attaccato le matrici alle cellule che producono e sostengono i tessuti nel corpo umano, chiamati fibroblasti.
Le matrici sono stati quindi trattati con colle molecolari e trasferiti sulle cellule utilizzando un film di idrogel di alginato, un laminato gelatinoso che può essere sciolto dopo che l’oro aderisce alla cellula.
La colla molecolare si lega a un film secreto dalle cellule chiamato matrice extracellulare.
Ricerche precedenti hanno dimostrato come utilizzare gli idrogel per attaccare la nanotecnologia sulla pelle umana e sugli organi animali interni.
Mostrando come far aderire nanofili e nanopunti su singole cellule, il team di Gracias sta affrontando la sfida di rendere i sensori ottici e l’elettronica compatibili con la materia biologica a livello di singola cellula.
“Abbiamo dimostrato che possiamo collegare nanopattern complessi alle cellule viventi, garantendo al contempo che la cellula non muoia”, ha detto Gracias.
“È un risultato molto importante che le cellule possano vivere e muoversi con i tatuaggi perché spesso c’è una significativa incompatibilità tra le cellule viventi e i metodi che gli ingegneri usano per fabbricare l’elettronica”.
Anche la capacità del team di attaccare i punti e i fili in forma di matrice è fondamentale. Per utilizzare questa tecnologia per tracciare le bioinformazioni, i ricercatori devono essere in grado di organizzare sensori e cablaggi in schemi specifici non dissimili da come sono disposti nei chip elettronici.
Il team prevede di provare a collegare nanocircuiti più complessi che possono rimanere in posizione per periodi più lunghi. Vogliono anche sperimentare diversi tipi di cellule.
Immagine: Kam Sang Kwok e Soo Jin Choi, Gracias Lab/Johns Hopkins University.
