Dalla ricerca italiana una nuova luce sui tumori con la piattaforma di microscopia

ROMA\ aise\ - Una nuova piattaforma di microscopia integrata consente di osservare in laboratorio in tempo reale come le cellule tumorali ricevono stimoli meccanici che influenzano l’invasività, lo sviluppo di metastasi e la risposta ai farmaci, e come reagiscono a tali stimoli. La piattaforma è stata sviluppata da un gruppo interdisciplinare dell’Istituto Airc di Oncologia Molecolare Ets (IFOM) di Milano, dell’Università Statale di Milano e dell’Università degli Studi di Perugia, del CNRS-Institut Curie di Parigi e del Cnr-Iom di Perugia, grazie anche al sostegno di un My First AIRC Grant (MFAG) e di un Prin PNRR.
La piattaforma, come spiega il Cnr, permette di misurare simultaneamente proprietà meccaniche e risposte biochimiche in sferoidi ottenuti da cellule di tumore del seno. Gli sferoidi sono masse cellulari microscopiche in tre dimensioni con cui è possibile cercare di riprodurre in laboratorio l’architettura e le interazioni dei tessuti tumorali. Gli esperimenti condotti hanno rivelato che deformazioni cicliche attivano rapidamente il gene dello stress ATF3 e inducono comportamenti più invasivi. La tecnologia completamente ottica sviluppata, descritta ora sull’autorevole rivista scientifica Advanced Science, apre nuove prospettive per comprendere i processi alla base della progressione tumorale e per potere in futuro agire su di essi.
Comprendere come le cellule tumorali ricevono e trasformano gli stimoli meccanici è una delle frontiere più promettenti dell’oncologia moderna. Le risposte a tali stimoli possono infatti influenzare la crescita di un tumore, la sua invasività e la capacità di dare metastasi. Negli ultimi anni è emerso che le forze fisiche nei tessuti sono ben di più dello scenario in cui i tumori crescono, dato che ne influenzano direttamente l’invasività, lo sviluppo delle metastasi e la risposta ai farmaci.
Tuttavia, aggiunge il Cnr, studiare questi processi mentre accadono, in tempo reale e senza modificare le cellule, è estremamente difficile. Gli strumenti disponibili fino a poco tempo fa permettevano infatti solo osservazioni parziali e non simultanee di diversi processi. O si misurava la componente meccanica, o quella biochimica, spesso in condizioni semplificate e lontane dalla complessità dei tessuti tipica dell’organismo umano.
Oggi un gruppo interdisciplinare di ricercatori di IFOM Ets, Università degli Studi di Perugia, Università degli Studi di Milano, Istituto Officina dei materiali del Consiglio nazionale delle ricerche di Perugia (Cnr-Iom) e Institut Curie – CNRS di Parigi, con competenze diverse in fisica, bioingegneria e biologia del tumore, ha sviluppato una piattaforma fotonica integrata di nuova generazione che supera questi ostacoli.
Il sistema messo a punto è totalmente ottico. Combina per la prima volta la tecnica di microscopia avanzata Brillouin, con cui si può misurare la rigidità e le proprietà meccaniche tramite la luce, e la tecnologia Raman, in grado di rivelare la composizione biochimica all’interno di un microdispositivo fluidico. Ciò consente di osservare e misurare simultaneamente le proprietà meccaniche e le risposte biochimiche delle cellule tumorali in sistemi tridimensionali complessi come gli sferoidi tumorali. Questi ultimi sono masse cellulari microscopiche in tre dimensioni con cui è possibile cercare di riprodurre in laboratorio l’architettura e le interazioni dei tessuti tumorali, ricreando sperimentalmente condizioni molto simili ai tessuti viventi.
"Per la ricerca sul cancro questo progresso è fondamentale – spiega Silvia Caponi, fisica del Cnr-Iom di Perugia -. La transizione tecnologica è analoga a ciò che ha portato, alla fine degli anni Venti del Novecento all’integrazione di audio e video nel cinema sonoro. La piattaforma fotonica funziona infatti un po’ come produrre un film con immagine e audio sincronizzati, combinando allo stesso tempo ciò che le cellule “sentono” in termini di forze fisiche, come rigidità e deformazione, con il monitoraggio delle loro risposte, come le variazioni di durezza e le conseguenti risposte molecolari. Se questi processi sono analizzati separatamente, potremmo raccontare di volta in volta solo metà della storia".
"Si tratta infatti - sottolinea Brenda Green, bioingegnere canadese che ha potuto condurre lo studio grazie a un My First AIRC Grant (MFAG) presso IFOM, l’Istituto AIRC di Oncologia Molecolare di Milano – di un sistema non invasivo, basato esclusivamente sull’uso della luce e che permette di osservare in laboratorio il comportamento delle cellule tumorali mentre vengono sottoposte a stimoli meccanici simili a quelli comuni nei tessuti viventi".
"Questa nuova piattaforma rappresenta un salto di qualità nella diagnostica ottica", prosegue Silvia Caponi (Cnr-Iom). "Grazie all’integrazione di tecniche di microscopia avanzata su un chip microfluidico, possiamo ottenere allo stesso tempo informazioni meccaniche e molecolari: misuriamo la rigidità delle cellule e ne osserviamo la risposta meccanica utilizzando approcci ottici senza contatto, che sfruttano unicamente la luce".
Applicata a sferoidi tridimensionali di tumore al seno, la tecnologia ha mostrato che deformazioni meccaniche cicliche inducono modificazioni immediate nella forma del nucleo cellulare e attivano una forte risposta allo stress, evidenziata da un aumento notevole dell’espressione del gene ATF3. “Si tratta di un gene – illustra Brenda Green – che si attiva quando una cellula riceve uno stress meccanico, metabolico o ambientale, che può influenzare processi legati alla sopravvivenza, all’adattamento e, nei tumori, al potenziale invasivo”. “È sorprendente”, sottolinea nuovamente Green “osservare quanto rapidamente le cellule reagiscono e, soprattutto, come mantengono memoria dello stimolo meccanico: a 24 ore di distanza mostrano già un comportamento più invasivo, come se la forza applicata avesse riscritto il loro programma biologico”.
Il cuore della piattaforma è un innovativo dispositivo microfluidico che consente di applicare alle cellule stimoli fisici controllati, simulando con grande accuratezza le condizioni dei tessuti viventi. “La microfluidica ci permette di riprodurre compressioni, flussi e deformazioni con una finezza irraggiungibile con gli strumenti tradizionali”, aggiunge il Prof. Maurizio Mattarelli responsabile del Laboratorio di Imaging nel Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università degli Studi di Perugia. “Combinando queste condizioni dinamiche con la sensibilità della microscopia Brillouin–Raman, otteniamo una visione inedita dei processi di adattamento cellulare in condizioni dinamiche, finora impossibili da misurare in tempo reale”.
"Questa tecnologia apre una nuova prospettiva per lo studio dei tumori in sistemi tridimensionali come gli sferoidi tumorali – conclude Giorgio Scita, direttore del laboratorio Meccanismi di migrazione delle cellule tumorali di IFOM Ets e Professore Ordinario di Patologia Generale all’Università degli Studi di Milano –. È un approccio completamente ottico, non invasivo e compatibile con i modelli biologici avanzati utilizzati in meccanobiologia: un importante passo avanti per comprendere i processi che guidano la progressione tumorale e in futuro per poter agire su di essi".
Le istituzioni coinvolte includono IFOM Ets di Milano; Università degli Studi di Perugia (Dipartimento di Fisica e Geologia; Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie); Università degli Studi di Milano (Dipartimento di Oncologia ed Emato-Oncologia); CNRS UMR144 – Institut Curie e Institut Pierre-Gilles de Gennes di Parigi; e il Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto Officina dei Materiali (Cnr-Iom) di Perugia. (aise)