Abstract
La malattia di Alzheimer (AD) rappresenta una sfida globale significativa per la medicina e la società odierna a causa della sua crescente incidenza e dei forti costi sociali ed economici. Per un'ottimale gestione e trattamento dell'AD, c'è un'urgente necessità di sviluppare strumenti diagnostici per una diagnosi precoce e accurata. Le ricerche attuali rivelano che i cambiamenti nei livelli di biomarcatori proteici associati alla patogenesi dell'AD iniziano già decenni prima dei sintomi clinici. Pertanto, sono stati fatti intensi sforzi per scoprire biomarcatori diagnostici per la rilevazione precoce dell'AD. Tuttavia, questi studi sono spesso limitati dalla disponibilità di anticorpi adeguati per il riconoscimento dei nuovi biomarcatori diagnostici identificati e dalle basse concentrazioni di tali biomarcatori dell'AD nei fluidi biologici. L'obiettivo di questo progetto è progettare e sviluppare nuovi nanomateriali biomimetici in grado di riconoscere le proteine, che consentiranno la scoperta di nuovi biomarcatori dell'AD e lo sviluppo di piattaforme di rivelazione elettrochimiche e ottiche innovative per la loro rilevazione precoce. Negli ultimi dieci anni, sono stati fatti notevoli progressi nella fabbricazione bottom-up di recettori biomimetici ben definiti per la rivelazione di sostanze chimiche e biologiche utilizzando diversi approcci di riconoscimento. In questo progetto, svilupperemo una metodologia generale e robusta per la generazione di sistemi abiotici sovrapolimerici basati su nanoparticelle multifunzionali (NPs) per il riconoscimento delle proteine. Nuove funzionalizzazioni saranno sviluppate lavorando sulle proprietà ottiche ed elettriche uniche delle NPs d'oro e di silicio e dei sistemi di riconoscimento sovrapolimerici. In particolare, lo studio sarà focalizzato sulle interazioni che si verificano all'interfaccia tra i gruppi funzionali sulla superficie delle NPs e le proteine. Parallelamente, saranno fabbricate NPs biomimetiche per il riconoscimento selettivo della proteina bersaglio, attraverso l'assemblaggio di molecular building blocks sulla superficie delle NPs con la proteina, che agisce come modello. Un altro aspetto innovativo di questo progetto sarà lo sviluppo di nuove piattaforme di rivelazione ottiche ed elettrochimiche sostenibili basate sulle NPs biomimetiche per la rivelazione in-situ dei biomarcatori proteici per l'AD nei fluidi biologici. Utilizzeremo la tecnologia di stampa come tecnologia efficace per la fabbricazione di dispositivi analitici miniaturizzati a basso costo e "green" su carta microfluidica (PADs) integrati con le NPs biomimetiche. L'accoppiamento dei PADs biomimetici all'interno di dispositivi portatili basati su smartphone per la lettura ottica ed elettrochimica consentirà la facile traduzione dei dispositivi di laboratorio nella pratica clinica per affrontare le esigenze prioritarie nella diagnostica personalizzata e nel monitoraggio della terapia al punto di cura.
Risultati raggiunti
Il gruppo di ricerca ha sviluppato metodi analitici portatili su carta (microfluidic paper based analytical devices, µPADs) con rivelazione ottica (colorimetrica e chemiluminescente) per la determinazione di alcuni biomarcatori associati alla malattia di Alzheimer. In particolare, sono stati considerati la capacità antiossidante totale del siero (TAC), la mieloperossidasi (MPO) e l’apolipoproteina E (ApoE), quali indicatori periferici di stress ossidativo, infiammazione e alterazioni del metabolismo lipidico, processi sempre più riconosciuti come rilevanti nella caratterizzazione dei sottotipi biologici della malattia. Per lo sviluppo dei metodi sono stati esplorati diversi materiali biomimetici. In particolare, i Metal Organic Framework (MOF) e i Covalent Organic Framework (COF) a base di triazina sono stati valutati come sostituti biomimetici dell’enzima perossidasi di rafano (HRP) nella catalisi di reazioni ottiche (colorimetriche o chemiluminescenti) di rivelazione. Nella fase iniziale è stato adottato un approccio multivariato di disegno sperimentale (Design of Experiments, DoE) per ottimizzare l’impiego di un MOF a base di Cu nella catalisi del sistema chemiluminescente luminolo–H₂O₂/enhancer; parallelamente, è stata caratterizzata l’attività catalitica fotoindotta dei COF nella reazione colorimetrica della tetrametilbenzidina (TMB). Successivamente, sono stati sviluppati test per la determinazione della TAC, utili per monitorare trattamenti antiossidanti, valutare lo stress ossidativo sistemico e studiare le dinamiche redox coinvolte nella patogenesi dell’Alzheimer. Il sistema chemiluminescente ottimizzato basato su MOF e la reazione colorimetrica basata su COF sono stati utilizzati rispettivamente per sviluppare un dispositivo chemiluminescente origami su carta integrato con smartphone e un test colorimetrico attivato dalla luce; le prestazioni analitiche sono state valutate utilizzando matrici di siero modello. Un ulteriore materiale biomimetico valutato è rappresentato dagli idrogel a base di carbossimetilcellulosa (CMC), forniti da UniPd, impiegati per immobilizzare anticorpi specifici di cattura su supporti di carta. Questo approccio è stato applicato allo sviluppo di µPADs chemiluminescenti per la determinazione di MPO e ApoE. L’anticorpo specifico per la proteina target (MPO o ApoE) è stato immobilizzato chimicamente sulla CMC, successivamente depositata su carta. Sono stati quindi sviluppati immunosensori su carta per ciascun target, sfruttando dispositivi portatili (ad esempio, fotocamera di smartphone, CCD portatile raffreddata, fotosensori a film sottile in silicio amorfo idrogenato) per la rivelazione del segnale chemiluminescente. Le prestazioni analitiche sono state valutate utilizzando matrici di siero modello. Per entrambi i target, la CMC funzionalizzata ha consentito la formazione di uno strato uniforme e stabile sulla carta, essenziale per l’efficienza del riconoscimento antigene anticorpo. Rispetto ai metodi analitici tradizionali (ad es. immunoassay), l’approccio proposto basato su µPADs con rivelazione ottica consente analisi rapide ed economiche, con potenziale applicabilità come test point of care. L’impiego di nanomateriali biomimetici ha inoltre permesso di migliorare sensibilità e stabilità analitica, favorendone l’utilizzo in contesti point of care. Queste attività hanno portato alla presentazione di tre comunicazioni orali a congressi nazionali e internazionali e alla sottomissione di un articolo (attualmente in fase di revisione); ulteriori manoscritti sono in preparazione. Il gruppo ha inoltre collaborato: allo sviluppo di un immunosensore elettrochimico label free, accoppiato a un dispositivo origami su carta, per la determinazione di β amiloide plasmatica (Aβ(1–42)), riconosciuta come biomarcatore della patologia di Alzheimer (DOI: 10.1016/j.biosx.2025.100687); allo sviluppo di una piattaforma analitica per la profilazione proteomica e lipidomica del plasma basata su nanoparticelle funzionalizzate, finalizzata all’identificazione di biomarcatori precoci e minimamente invasivi della malattia di Alzheimer (manoscritto in fase di revisione).Project details
Unibo Team Leader: Mara Mirasoli
Unibo involved Department/s:
Dipartimento di Chimica "Giacomo Ciamician"
Coordinator:
Università degli Studi di PADOVA(Italy)
Total Unibo Contribution: Euro (EUR) 53.005,00
Project Duration in months: 24
Start Date:
28/09/2023
End Date:
28/02/2026
