Osservare un tumore mentre “reagisce” alle forze fisiche che lo attraversano, cogliendo in tempo reale i segnali che ne guidano l’invasività e la capacità di metastatizzare. È questo il salto concettuale e tecnologico compiuto da una nuova piattaforma di microscopia integrata completamente ottica, sviluppata da un gruppo interdisciplinare di ricercatori italiani e internazionali e descritta sulla rivista scientifica Advanced Science.
La tecnologia consente, per la prima volta, di misurare simultaneamente le proprietà meccaniche e le risposte biochimiche delle cellule tumorali in modelli tridimensionali complessi, avvicinando lo studio del cancro alle condizioni reali dei tessuti viventi. Un risultato che apre prospettive inedite nella comprensione dei meccanismi alla base della progressione tumorale, dell’invasività e della risposta ai trattamenti.
La meccanica del tumore: una nuova frontiera dell’oncologia
Negli ultimi anni la ricerca oncologica ha chiarito che le forze fisiche presenti nei tessuti non rappresentano un semplice “sfondo” in cui il tumore cresce. Al contrario, rigidità, compressione e deformazioni meccaniche influenzano direttamente il comportamento delle cellule tumorali, modulandone la capacità di invadere i tessuti circostanti, di formare metastasi e di rispondere ai farmaci.
Studiare questi fenomeni mentre accadono, però, è sempre stato estremamente complesso. Fino a oggi, infatti, gli strumenti disponibili permettevano di analizzare separatamente la componente meccanica o quella biochimica, spesso in condizioni sperimentali semplificate e lontane dalla complessità dei tessuti umani.
La piattaforma fotonica che “sincronizza” forze e risposte cellulari
A superare questo limite è stata una collaborazione che ha coinvolto IFOM – Istituto AIRC di Oncologia Molecolare, l’Università degli Studi di Milano, l’Università degli Studi di Perugia, il CNRS – Institut Curie e il CNR-IOM.
Il sistema messo a punto è totalmente ottico e combina, per la prima volta in modo integrato, due tecniche avanzate:
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la microscopia Brillouin, che permette di misurare rigidità e proprietà meccaniche delle cellule utilizzando la luce;
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la spettroscopia Raman, in grado di rivelare la composizione biochimica cellulare.
L’integrazione avviene all’interno di un microdispositivo fluidico, consentendo di osservare simultaneamente ciò che le cellule “sentono” in termini di stimoli fisici e come reagiscono a livello molecolare.
Sferoidi tumorali: il modello tridimensionale che avvicina il laboratorio alla realtà
La piattaforma è stata applicata a sferoidi tridimensionali di tumore al seno, aggregati cellulari microscopici che riproducono in laboratorio l’architettura e le interazioni tipiche dei tessuti tumorali. Un modello sempre più utilizzato perché consente di studiare il cancro in condizioni molto più simili a quelle dell’organismo umano rispetto alle colture cellulari bidimensionali.
«La transizione tecnologica è paragonabile all’integrazione di audio e video nel cinema sonoro», spiega Silvia Caponi, fisica del Cnr-Iom. «Separare meccanica e biochimica significa raccontare solo metà della storia».
Lo stress meccanico “accende” l’invasività
Gli esperimenti hanno mostrato che deformazioni meccaniche cicliche inducono modificazioni immediate della forma del nucleo cellulare e attivano una marcata risposta allo stress, evidenziata dall’aumento dell’espressione del gene ATF3.
Si tratta di un gene chiave nella risposta allo stress meccanico, metabolico e ambientale, coinvolto in processi di adattamento e sopravvivenza cellulare. Nei tumori, la sua attivazione è associata a un comportamento più invasivo.
«È sorprendente osservare quanto rapidamente le cellule reagiscano», sottolinea Brenda Green, bioingegnere di IFOM. «A distanza di 24 ore, mostrano già una maggiore invasività, come se lo stimolo meccanico avesse riscritto il loro programma biologico».
Microfluidica e diagnostica ottica: una visione senza precedenti
Il cuore della piattaforma è un dispositivo microfluidico innovativo, capace di riprodurre compressioni, flussi e deformazioni con una precisione irraggiungibile dagli strumenti tradizionali. Questo consente di simulare fedelmente le condizioni fisiche dei tessuti viventi.
«Combinando queste condizioni dinamiche con la sensibilità della microscopia Brillouin–Raman otteniamo una visione inedita dei processi di adattamento cellulare», spiega Maurizio Mattarelli dell’Università di Perugia.
Verso nuove strategie terapeutiche
Secondo Giorgio Scita, direttore del laboratorio IFOM sui meccanismi di migrazione delle cellule tumorali, questa tecnologia rappresenta «un importante passo avanti per comprendere i processi che guidano la progressione tumorale e, in futuro, per poter intervenire su di essi».
Essendo non invasiva, completamente ottica e compatibile con modelli biologici avanzati, la piattaforma apre la strada a nuove applicazioni nella meccanobiologia tumorale, nella valutazione della risposta ai farmaci e nello sviluppo di strategie terapeutiche mirate non solo ai bersagli molecolari, ma anche alle forze fisiche che plasmano il comportamento del tumore.