Nuova piattaforma ottica per osservare in tempo reale invasività, metastasi e risposta ai farmaci
Una nuova piattaforma di microscopia integrata consente di osservare in laboratorio, in tempo reale, come le cellule tumorali percepiscono gli stimoli meccanici e come questi influenzino l’invasività, la formazione di metastasi e la risposta ai trattamenti farmacologici.
La tecnologia, sviluppata da un team interdisciplinare dell’Istituto AIRC di Oncologia Molecolare (IFOM) di Milano, dell’Università degli Studi di Milano, dell’Università degli Studi di Perugia, del CNRS–Institut Curie di Parigi e del CNR-IOM di Perugia, rappresenta un importante passo avanti nella comprensione dei meccanismi che guidano la progressione tumorale.
Il progetto, sostenuto da un My First AIRC Grant (MFAG) e da un finanziamento PRIN PNRR, è stato descritto sulla prestigiosa rivista scientifica Advanced Science e introduce un sistema completamente ottico capace di misurare simultaneamente proprietà meccaniche e risposte biochimiche delle cellule tumorali in modelli tridimensionali complessi.
Meccanobiologia tumorale: una nuova frontiera dell’oncologia
Negli ultimi anni è emerso con sempre maggiore chiarezza che le forze fisiche presenti nei tessuti non costituiscono soltanto lo scenario in cui si sviluppano i tumori, ma giocano un ruolo attivo nel determinare la loro aggressività, capacità invasiva e resistenza ai farmaci. Comprendere come le cellule tumorali recepiscono, interpretano e trasformano gli stimoli meccanici rappresenta oggi una delle principali sfide della ricerca oncologica.
Fino a poco tempo fa, però, gli strumenti disponibili consentivano solo osservazioni parziali: era possibile studiare separatamente la componente meccanica o quella biochimica, spesso in condizioni sperimentali semplificate, lontane dalla complessità dei tessuti viventi. La nuova piattaforma supera questi limiti, permettendo di analizzare simultaneamente entrambi gli aspetti in tempo reale.
La piattaforma fotonica integrata Brillouin–Raman
Il cuore della tecnologia è un sistema completamente ottico che integra per la prima volta microscopia Brillouin e spettroscopia Raman all’interno di un microdispositivo fluidico. La microscopia Brillouin consente di misurare la rigidità e le proprietà meccaniche delle cellule attraverso la luce, mentre la tecnologia Raman permette di analizzare la composizione biochimica con estrema precisione.
Questa integrazione rende possibile osservare simultaneamente come le cellule tumorali reagiscono agli stimoli meccanici e come variano i loro processi molecolari. Il tutto avviene in modelli tridimensionali avanzati, gli sferoidi tumorali, che riproducono fedelmente l’architettura e le interazioni dei tessuti reali, offrendo una rappresentazione più realistica dell’ambiente tumorale.
Sferoidi tridimensionali: laboratorio e realtà biologica si incontrano
Gli sferoidi sono microaggregati cellulari tridimensionali che permettono di simulare in vitro la struttura e la complessità dei tessuti tumorali. Grazie alla nuova piattaforma, è possibile monitorare come queste strutture rispondono a stimoli meccanici controllati, ricreando condizioni estremamente simili a quelle presenti negli organismi viventi.
“Questo progresso rappresenta una vera svolta per la ricerca sul cancro”, spiega Silvia Caponi, fisica del CNR-IOM di Perugia. “L’integrazione delle informazioni meccaniche e molecolari è paragonabile all’introduzione del sonoro nel cinema: consente di raccontare la storia completa di ciò che accade alle cellule tumorali sotto stress meccanico”.
Stimoli meccanici e attivazione del gene ATF3
Applicata a sferoidi di tumore al seno, la tecnologia ha rivelato che deformazioni meccaniche cicliche attivano rapidamente il gene dello stress ATF3 e inducono modificazioni immediate nella forma del nucleo cellulare. Questa risposta si associa a un aumento del potenziale invasivo delle cellule già entro 24 ore dall’applicazione dello stimolo.
“ATF3 è un gene chiave nella risposta allo stress meccanico, metabolico e ambientale”, spiega Brenda Green, bioingegnere e principale autrice dello studio. “La sua attivazione può influenzare profondamente i processi di adattamento, sopravvivenza e invasività delle cellule tumorali. È sorprendente osservare quanto rapidamente queste cellule reagiscano e come mantengano una memoria dello stimolo meccanico”.
Microfluidica e imaging: una visione dinamica dei tumori
Il sistema integra un sofisticato dispositivo microfluidico in grado di applicare compressioni, flussi e deformazioni estremamente controllate. Questo consente di simulare fedelmente le condizioni dinamiche dei tessuti viventi e di osservare, in tempo reale, come le cellule si adattano ai cambiamenti fisici dell’ambiente.
“Grazie alla microfluidica e alla microscopia Brillouin–Raman otteniamo una visione senza precedenti dei meccanismi di adattamento cellulare”, sottolinea Maurizio Mattarelli, responsabile del Laboratorio di Imaging dell’Università di Perugia. “Si tratta di processi finora impossibili da monitorare con tale precisione”.
Nuove prospettive per diagnosi e terapie oncologiche
Secondo Giorgio Scita, direttore del laboratorio Meccanismi di migrazione delle cellule tumorali di IFOM Ets e professore ordinario all’Università degli Studi di Milano, questa piattaforma apre scenari completamente nuovi nello studio dei tumori. “Si tratta di un approccio non invasivo, completamente ottico e perfettamente compatibile con i modelli biologici avanzati della meccanobiologia. Un passo fondamentale per comprendere i meccanismi della progressione tumorale e, in prospettiva, per sviluppare nuove strategie terapeutiche mirate”.
Collaborazione scientifica internazionale
Lo studio è frutto di una collaborazione multidisciplinare che coinvolge IFOM Ets di Milano, Università degli Studi di Perugia, Università degli Studi di Milano, CNRS–Institut Curie e Institut Pierre-Gilles de Gennes di Parigi, e il CNR–Istituto Officina dei Materiali di Perugia. Un esempio virtuoso di sinergia tra fisica, bioingegneria e biologia molecolare al servizio della ricerca oncologica avanzata.
