Molecole di Ziapin2 per stimolare le cellule muscolo scheletriche con la luce

Un team di ricercatori e ricercatrici dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Milano e del Politecnico di Milano coordinato da Guglielmo Lanzani, Responsabile dell’Unità Nanomaterials for Energy and Lifescience dell’IIT, ha dimostrato che le molecole di Ziapin2 sono in grado di controllare l’attività contrattile delle cellule muscolo scheletriche, responsabili della contrazione volontaria dei muscoli, mediante la luce.

La molecola Ziapin2, brevettata nel 2018 in Europa, Stati Uniti e Giappone da IIT e Politecnico di Milano e presentata per la prima volta nel 2020 su Nature Nanotechnology, è un fototrasduttore, ossia assorbe la luce e la trasforma in segnale elettrico, ideato e sintetizzato nel laboratorio coordinato da Chiara Bertarelli, Professoressa ordinaria presso il Politecnico di Milano. 

I risultati dello studio, pubblicati sulla rivista Nature Communications Biology, gettano le basi per implementare la tecnica della fotostimolazione abbinata a Ziapin2 come alternativa all’utilizzo degli elettrodi tradizionali per specifici casi e patologie, poiché mostra svariati vantaggi tra cui: maggior versatilità, perché la luce può essere somministrata da remoto senza contatto; maggior precisione, perché è stata registrata elevata selettività spazio temporale, minor invasività e tossicità.

Lo studio ha potuto contare sul supporto del finanziamento derivante dal PRIN “Membrane- targeted light driven nanoactuators for neuro-stimulation”.

In particolare, per dimostrare la fattibilità del nuovo approccio, il team multidisciplinare ha somministrato Ziapin2 a cellule muscolari scheletriche fatte crescere in laboratorio (C2C12). Si tratta di un modello cellulare ideale per valutare la capacità dei fototrasduttori a causa della trascurabile attività contrattile spontanea. Inoltre, questo garantisce di non dover ricorrere all’utilizzo di modelli animali.
Quando le cellule, a cui è stata somministrata Ziapin2, vengono illuminate, la luce assorbita si traduce in elettricità che induce delle contrazioni.

Il team di ricerca ha confrontato la stimolazione luminosa con quella elettrica, individuando vantaggi dall’uso della fotostimolazione soprattutto per il trattamento di pazienti sul lungo periodo. L’utilizzo prolungato nel tempo degli elettrodi, infatti, può portare alla degradazione dei tessuti del paziente e degli elettrodi stessi, da cui deriva diminuzione dell’efficacia del trattamento.

Ad oggi sono molti i pazienti che affetti da malattie neurodegenerative come il Parkinson, patologie muscolari, conseguenze di ictus o danni al sistema nervoso centrale, compresa la perdita della vista, non possono essere trattati con terapie farmacologiche, ma traggono beneficio dalla stimolazione diretta delle cellule muscolari o nervose che avviene tradizionalmente mediante elettrodi, perlopiù metallici, che trasmettono correnti elettriche. 

La stimolazione con la luce porterebbe a minor stress cellulare, in quanto è possibile stimolare un punto localizzato, a differenza del più generale campo elettrico degli elettrodi; assicurerebbe minor tossicità poiché si possono usare diverse lunghezze d’onda ed eliminerebbe la necessità del contatto, perché la luce può essere erogata da remoto.

Per queste promettenti caratteristiche, la fotostimolazione delle cellule potrebbe essere utilizzata in futuro soprattutto in cardiologia, nella riabilitazione muscolare (stimolazione funzionale), per la cura dei pazienti affetti da degenerazioni neuronali ma anche in un particolare settore, quello dei robot ibridi costituiti da componenti artificiali e biologiche. Questi ultimi potranno essere utilizzati per studi di carattere fondamentale, per esplorazioni ambientali o applicazioni mediche e in ambito prostetico, essendo totalmente bio-compatibili.

I risultati che abbiamo ottenuto suggeriscono che sia possibile intervenire in maniera precisa e poco invasiva sul tessuto muscolare con la luce, coadiuvando le tecniche attuali nella cura di alcune patologie muscolo scheletriche

dichiara Guglielmo Lanzani, Ricercatore dell’Istituto Italiano di Tecnologia.

Il targeting della membrana cellulare mediante la progettazione molecolare di fototrasduttori è un approccio innovativo. Ziapin2 ha dimostrato ancora una volta la sua efficacia e potenzialità nella stimolazione fotoindotta delle cellule, con uno spettro sempre più ampio di applicazioni in ambito medico e grande potenzialità nello sviluppo di robot ibridi

aggiunge Chiara Bertarelli del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria chimica “Giulio Natta” del Politecnico di Milano.

Per approfondire
Lo studio
Life Sciences @polimi

Immagine di copertina: Fotogramma di un video in cui è selezionata una regione in corrispondenza della cellula da analizzare. Attraverso un algoritmo di tracciamento ad oggetti è possibile seguire il movimento della cellula. Credits: Istituto Italiano di Tecnologia - © IIT