L’imaging nanoplasmonico rivela la secrezione di proteine

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Schiera di micropozzetti a cellula singola © BIOS EPFL
Schiera di micropozzetti a cellula singola © BIOS EPFL
Gli scienziati dell’EPFL hanno utilizzato un metodo nanoplasmonico per osservare la produzione in tempo reale di secrezioni cellulari, tra cui proteine e anticorpi. Questo progresso potrebbe contribuire allo sviluppo di trattamenti contro il cancro, vaccini e altre terapie.

Le secrezioni cellulari, come proteine, anticorpi e neurotrasmettitori, svolgono un ruolo essenziale nella risposta immunitaria, nel metabolismo e nella comunicazione tra le cellule. La comprensione delle secrezioni cellulari è essenziale per sviluppare trattamenti per le malattie. Tuttavia, i metodi attuali possono solo indicare la quantità di secrezioni, senza specificare quando e dove vengono prodotte.

Gli scienziati del Laboratorio di sistemi bionanofotonici (BIOS) della Facoltà di Ingegneria e dell’Università di Ginevra hanno sviluppato un nuovo metodo di imaging ottico che fornisce una visione quadridimensionale delle secrezioni cellulari nello spazio e nel tempo. Collocando singole cellule in pozzetti microscopici su un chip nanostrutturato placcato in oro e inducendo poi un fenomeno chiamato risonanza plasmonica sulla superficie del chip, è possibile mappare le secrezioni mentre vengono prodotte, osservando la forma e il movimento delle cellule.

Poiché offre una visione dettagliata senza precedenti del funzionamento e della comunicazione delle cellule, gli scienziati ritengono che il loro metodo, recentemente pubblicato sulla rivista Nature Biomedical Engineering, abbia un immenso potenziale per lo sviluppo farmaceutico e la ricerca di base.

"Ci permette di effettuare lo screening di singole cellule con un’elevata efficienza, il che è essenziale per il nostro lavoro. Le misurazioni collettive della risposta media di molte cellule non riflettono la loro eterogeneità. E in biologia tutto è eterogeneo, dalle risposte immunitarie alle cellule tumorali. È per questo che il cancro è così difficile da trattare", spiega Hatice Altug, responsabile del laboratorio BIOS.

Un milione di elementi del sensore


L’elemento di base del metodo degli scienziati è un chip nanoplasmonico di 1 cm2 con milioni di piccoli fori e centinaia di camere per le singole cellule. Il chip è costituito da un substrato d’oro nanostrutturato ricoperto da una sottile rete di polimeri. Ogni camera è riempita con un mezzo cellulare per mantenere le cellule vive e vegete durante l’imaging.

"Le secrezioni cellulari sono come le ’parole’ della cellula: si disperdono dinamicamente nel tempo e nello spazio per entrare in contatto con altre cellule. La nostra tecnologia ci permette di catturare l’eterogeneità essenziale, cioè dove e quanto lontano viaggiano queste ’parole’", spiega Saeid Ansaryan, dottorando del laboratorio BIOS e autore principale.

La parte nanoplasmonica funziona grazie a un fascio di luce che fa oscillare gli elettroni d’oro. La nanostruttura è progettata in modo che solo alcune lunghezze d’onda possano penetrare. Quando qualcosa, come la secrezione di una proteina, avviene sulla superficie del chip e modifica la luce che lo attraversa, lo spettro cambia. Un sensore di immagine CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) e un LED traducono questo cambiamento in variazioni di intensità sui pixel CMOS.

"Il bello del nostro dispositivo è che le nanotrune distribuite sull’intera superficie trasformano ogni punto in un elemento rivelatore. Questo ci permette di osservare i modelli spaziali delle proteine rilasciate indipendentemente dalla posizione della cellula", spiega Saeid Ansaryan.

Questo metodo ha permesso agli scienziati di comprendere due processi cellulari chiave - divisione e morte cellulare - e di studiare le delicate cellule B umane che secernono anticorpi.

"Abbiamo visto il contenuto cellulare rilasciato durante due forme di morte cellulare, l’apoptosi e la necroptosi. In quest’ultima, il contenuto viene rilasciato in un’esplosione asimmetrica, dando luogo a un’immagine o a un’impronta. Questo non è mai stato dimostrato a livello di singola cellula", spiega Hatice Altug.


Screening per l’idoneità cellulare

Poiché il metodo immerge le cellule in un mezzo cellulare nutritivo e non richiede i marcatori fluorescenti tossici utilizzati da altre tecnologie di imaging, le cellule studiate possono essere facilmente recuperate. Ciò conferisce al metodo un grande potenziale per lo sviluppo di farmaci, vaccini e altri trattamenti, ad esempio per aiutare gli scienziati a capire come le cellule rispondono a diverse terapie a livello individuale.

"Poiché la quantità e il tipo di secrezioni prodotte da una cellula possono determinare la sua efficacia complessiva, potremmo anche immaginare applicazioni di immunoterapia in cui le cellule immunitarie del paziente vengono esaminate per identificare quelle più efficaci e poi viene creata una colonia di queste cellule", spiega Saeid Ansaryan.

Riferimenti

Ansaryan, S., Liu, YC., Li, X. et al. Monitoraggio spazio-temporale ad alta velocità delle secrezioni di una singola cellula tramite array di micropozzetti plasmonici. Nat. Biomed. Eng (2023). https://doi.org/10.1038/s41551’023 -01017-1