Abstract
La medicina rigenerativa si propone di identificare i meccanismi alla base della riparazione di tessuti danneggiati. Oltre ai fattori genetici e biochimici, che agiscono a livello cellulare e tissutale, anche stimolazioni fisiche (calore, campi elettrici, irradiazione luminosa) svolgono un ruolo fondamentale nel coordinare il processo di guarigione delle ferite. L’esposizione alla luce e al calore ha già dimostrato effetti benefici sulla guarigione delle ferite, favorendone il processo di riparazione, e oggi la somministrazione controllata di tali stimolazioni attraverso materiali nanostrutturati è oggetto di approfondite ricerche. Le nanoparticelle che emettono calore in risposta a stimolazioni nel vicino infrarosso (NIR) sono state recentemente proposte come strumenti innovativi per l'ipertermia e il rilascio controllato di farmaci; tuttavia, la loro applicazione clinica è ancora limitata da test in vivo lunghi e costosi, oltre che da questioni etiche correlate. Il progetto PHOENIX sfrutterà la sinergia tra biologia rigenerativa, nanotecnologia e chimica per affrontare scientificamente la sfida della rigenerazione dei tessuti danneggiati. Basandosi sui risultati ottenuti dal Principal Investigator (PI) nello sviluppo e nella validazione di nanoparticelle funzionali per il controllo remoto delle funzioni cellulari, PHOENIX utilizzerà la stimolazione NIR come un nuovo strumento per potenziare, in situ, il potenziale rigenerativo dei tessuti lesionati. In questo contesto, i nanotubi di carbonio (CNTs) sono oggetto di intense ricerche grazie alla loro capacità di funzionare come nano-riscaldatori intracellulari, offrendo al contempo proprietà di imaging intrinseche (fluorescenza NIR, imaging fotoacustico e Raman). Superando le attuali limitazioni dei CNTs in ambito teranostico (scarsa solubilità in acqua, tossicità, aggregazione), PHOENIX svilupperà nuove strategie chimiche per migliorarne la biocompatibilità e consentirne l'uso come nano-riscaldatori per favorire la rigenerazione tissutale. Un piccolo organismo animale con un potenziale rigenerativo illimitato, il polipo d'acqua dolce Hydra vulgaris, sarà utilizzato come modello in vivo, mentre i cheratinociti umani permetteranno di modellizzare in vitro i processi di riparazione cutanea, con l'obiettivo di tradurre i risultati in applicazioni terapeutiche. Dopo la stimolazione fototermica mediata dai CNTs, il potenziamento delle capacità rigenerative dei tessuti verrà monitorato a livello dell'intero organismo, delle cellule e delle molecole, permettendo di analizzare i meccanismi regolati dal calore nel controllo della rigenerazione tissutale. Questi ambiziosi obiettivi richiedono forti competenze sintetiche e una consolidata capacità di comprendere e migliorare la rigenerazione dei tessuti. Il team PHOENIX, unendo chimica avanzata (sintesi e funzionalizzazione dei CNTs), biologia rigenerativa (rigenerazione di Hydra, test di guarigione delle ferite HaCat) e nanobiotecnologie (stimolazione NIR), costituirà una piattaforma interdisciplinare che, grazie all'integrazione di nuovo personale, potrà avere un impatto significativo sullo sviluppo di strategie innovative con importanti applicazioni nella biologia rigenerativa.
Risultati raggiunti
Il progetto PHOENIX ha raggiunto gli obiettivi scientifici prefissati, sviluppando una piattaforma interdisciplinare che integra chimica dei nanomateriali, nanotecnologie e biologia rigenerativa per l'impiego di nanotubi di carbonio (CNT) come “nanoheater” fototermici destinati a favorire la rigenerazione tissutale. Dal punto di vista della progettazione dei materiali, sono stati sviluppati e caratterizzati con successo nuovi sistemi ibridi CNT-proteina ottenuti mediante strategie di funzionalizzazione "green", capaci di disperdere efficacemente i nanotubi in ambiente acquoso mantenendone stabilità, biocompatibilità e proprietà fototermiche. Sono inoltre state ottimizzate procedure di ingegnerizzazione delle superfici mediante modificazione della carica delle proteine e introduzione di marcatori fluorescenti, ottenendo piattaforme adatte agli studi di biodistribuzione e di interazione con sistemi biologici. Le proprietà fisico-chimiche e fototermiche dei materiali sviluppati sono state validate attraverso un'approfondita caratterizzazione sperimentale, dimostrando un'efficiente conversione della radiazione NIR in calore e confermando la possibilità di modulare in maniera controllata il riscaldamento locale. Sul versante biologico, il progetto ha consentito di valutare la biocompatibilità e la sicurezza dei sistemi sviluppati sia nel modello in vivo Hydra vulgaris sia in colture cellulari di cheratinociti umani. Sono stati definiti protocolli sperimentali per la fotostimolazione NIR e per la valutazione degli effetti biologici, identificando condizioni operative compatibili con la vitalità cellulare e con la funzionalità dei tessuti. Le attività sperimentali hanno evidenziato il potenziale dei sistemi CNT-proteina nel modulare i processi rigenerativi attraverso stimolazione fototermica controllata. Nei modelli utilizzati sono stati analizzati parametri morfologici, proliferativi e molecolari, consentendo di approfondire i meccanismi biologici coinvolti nella risposta al calore e nella rigenerazione tissutale. Parallelamente sono stati acquisiti dati relativi alla localizzazione dei nanomateriali, alla loro stabilità in ambiente fisiologico e al comportamento nei diversi sistemi biologici. Il progetto ha inoltre prodotto risultati rilevanti sul piano metodologico, mettendo a punto protocolli riproducibili per la sintesi, caratterizzazione e valutazione biologica dei “nanoheaters”, che costituiscono una solida base per futuri sviluppi applicativi nel campo della medicina rigenerativa e delle nanotecnologie biomediche. Le attività di disseminazione hanno accompagnato l'intero progetto attraverso la presentazione dei risultati in congressi scientifici nazionali e internazionali, con comunicazioni orali e poster dedicati ai materiali sviluppati e alle loro applicazioni nella rigenerazione tissutale. Il progetto è stato condotto nel pieno rispetto dei principi DNSH, Open Access e delle politiche di pari opportunità, contribuendo alla formazione di giovani ricercatori e al rafforzamento della collaborazione tra l'Università di Bologna e il CNR. Nel complesso, PHOENIX ha dimostrato la fattibilità dell'impiego di nanotubi di carbonio ingegnerizzati come strumenti innovativi per la stimolazione fototermica della rigenerazione tissutale, creando competenze, metodologie e risultati scientifici che costituiscono una base concreta per futuri sviluppi traslazionali nel settore della medicina rigenerativa.Project details
Unibo Team Leader: Matteo Calvaresi
Unibo involved Department/s:
Dipartimento di Chimica "Giacomo Ciamician"
Coordinator:
CNR - Consiglio Nazionale delle Ricerche(Italy)
Total Unibo Contribution: Euro (EUR) 104.439,00
Project Duration in months: 24
Start Date:
30/11/2023
End Date:
28/02/2026
