La bioelettronica green che ascolta e stimola le cellule del cervello

Unire la sostenibilità della chimica verde alle tecnologie di frontiera per esplorare le dinamiche del cervello: è questo il cuore dello studio pubblicato sulla prestigiosa rivista Advanced Materials da un team di ricerca che coinvolge il Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi dell'Università Ca’ Foscari Venezia, la prof.ssa Chiara Zanardi, il prof. Alessandro Silvestri e la studentessa di dottorato Giulia Cazzador, in collaborazione con l’Istituto per la Sintesi Organica e Fotoreattività (ISOF) del CNR di Bologna e gli Atenei di Ferrara e Bologna.

La novità risiede in una piattaforma bioelettronica biodegradabile e biocompatibile, sviluppata in acido polilattico e grafene attraverso un processo sostenibile a base acquosa e funzionalizzazione laser. In un unico dispositivo, la tecnologia consente sia il monitoraggio ad alta sensibilità di neurotrasmettitori chiave come dopamina e adrenalina, sia la stimolazione elettrica controllata degli astrociti, cellule gliali fondamentali nei processi cerebrali. Un traguardo per la scienza dei materiali e la chimica analitica che apre nuovi scenari per la bioelettronica biomedica del futuro, dimostrando come l'innovazione scientifica possa evolversi in perfetta sintonia con la transizione ecologica.

Professoressa Zanardi, lo studio appena pubblicato su Advanced Materials presenta una nuova "piattaforma bioelettronica". Cos'è esattamente questo dispositivo e quale problema irrisolto della bioelettronica va a colmare?

La piattaforma che abbiamo sviluppato è un dispositivo bioelettronico capace sia di misurare in tempo reale molecole chiave come dopamina, adrenalina e noradrenalina, i "messaggeri chimici" usati dai neuroni per comunicare, sia di stimolare elettricamente le cellule del sistema nervoso centrale. Rilevando le alterazioni di questi neurotrasmettitori, collegate a patologie come il Parkinson, il sensore potrebbe permettere di valutare lo stato di salute della rete neuronale e, all'occorrenza, di riattivarne il dialogo tramite stimoli elettrici mirati.

Quali sono le ricadute più concrete che questa tecnologia potrà avere sulla medicina e sulla vita delle persone?

Le applicazioni più promettenti riguardano lo studio e il trattamento delle malattie neurodegenerative, come il Parkinson e l'Alzheimer. Il sensore non si limita ad "ascoltare" l'attività cerebrale monitorando la concentrazione dei neurotrasmettitori, ma ha la potenzialità di intervenire in modo intelligente, stimolando le cellule gliali con impulsi elettrici laddove riscontra anomalie. In prospettiva, questo potrebbe tradursi in trattamenti più mirati e tempestivi per i pazienti.

Uno degli aspetti più innovativi del lavoro risiede nei materiali e nei processi: avete combinato il poli(acido lattico) (PLA) e l'ossido di grafene attraverso un processo a base acquosa. Perché la loro biodegradabilità e biocompatibilità rappresentano una svolta rispetto ai dispositivi bioelettronici tradizionali?

L'elettronica tradizionale sfrutta materiali inorganici, rigidi e non biodegradabili. Noi abbiamo scelto di unire l’acido polilattico, noto come PLA, un polimero biodegradabile e biocompatibile, con l'ossido di grafene, impiegando un processo produttivo ecologico a base d'acqua e laserizzazione. Questo approccio offre un vantaggio fondamentale: da un lato promuove la sostenibilità riducendo l'accumulo di rifiuti elettronici (e-waste); dall'altro apre nuovi scenari in ambito medico. In futuro si potranno realizzare elettrodi impiantabili nel cervello che, una volta terminata la loro funzione di monitoraggio e stimolazione, si dissolveranno venendo riassorbiti in modo sicuro dall'organismo, evitando così al paziente un secondo intervento chirurgico per la rimozione.

Un risultato di questo calibro è frutto di una sinergia complessa. Come si è articolata la collaborazione tra il Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi di Ca' Foscari, i due Istituti del CNR (ISOF e ISMN) e le Università di Ferrara e Bologna?

La nostra collaborazione con l’istituto ISOF del CNR è ormai decennale in quanto l’istituto ha una riconosciuta esperienza nella progettazione e sintesi di materiali innovativi che noi applichiamo con successo nella messa a punto di nuovi sensori per il monitoraggio della salute e dell’ambiente. Oggi lo sviluppo di sensori non può prescindere da un’idea di sostenibilità dei materiali usati, per un’attenzione sempre maggiore agli scarti derivanti da sistemi monouso. Dalla ricerca di nuovi materiali nasce la collaborazione con l’Università di Ferrara, con riconosciuta esperienza nella sintesi del PLA con un processo ecosostenibile. Mentre gli altri partner, con cui erano già attive precedenti collaborazioni, hanno permesso di completare lo studio per meglio definire le proprietà dei dispositivi sviluppati.

Che ruolo hanno avuto i laboratori di Ca' Foscari e il lavoro di ricercatrici, ricercatori, dottorandi/e, assegnisti/e nella realizzazione pratica e sperimentale di questo dispositivo?

Il nostro gruppo di ricerca ha ampia esperienza nello sviluppo di sensori amperometrici. In questo lavoro ci siamo, quindi, occupati della messa a punto e della validazione elettrochimica del sensore, studiando nel dettaglio come i neurotrasmettitori interagiscono e reagiscono sulla superficie dell'elettrodo in funzione delle condizioni usate per la sua fabbricazione. 

Raggiunto questo importante traguardo scientifico, qual è il prossimo step della ricerca? Quali sono le prossime sfide per portare la piattaforma dalla fase di laboratorio a test più complessi o all'applicazione reale?

Il nostro prossimo obiettivo della nostra collaborazione con ISOF è sviluppare un sistema integrato in grado di registrare le concentrazioni di neurotrasmettitori e somministrare la stimolazione in contemporanea, testandolo in modelli biologici sempre più vicini alla complessità del cervello umano, quali ad esempio gli astrociti. Parallelamente, stiamo già lavorando alla laserizzazione e grafitizzazione di altri supporti sostenibili, come il cartoncino e i polimeri riciclati. L'intento è spingere ancora oltre i confini dell'elettronica green, rendendo queste tecnologie sempre più accessibili e a basso impatto ambientale.