L’ossigeno è una delle variabili più importanti per la vita delle cellule, ma nei laboratori di ricerca viene spesso trattato come se fosse distribuito in modo uniforme. Nella realtà biologica, però, le cose funzionano diversamente. Nei tessuti umani la concentrazione di ossigeno varia continuamente da una zona all’altra, creando gradienti che influenzano crescita, metabolismo e risposta ai farmaci. Riprodurre questa complessità in vitro è una delle grandi sfide della biomedicina moderna.

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Bologna ha ora sviluppato una soluzione innovativa che permette di ricreare in laboratorio questi gradienti di ossigeno in modo semplice e controllato. La tecnologia, descritta sulla rivista Device di Cell Press, potrebbe migliorare significativamente lo studio dei tumori e accelerare lo sviluppo di nuove terapie.

Le cellule del nostro organismo non vivono tutte nelle stesse condizioni. Quelle situate vicino ai vasi sanguigni ricevono quantità abbondanti di ossigeno, mentre altre si trovano in aree più povere, dove il gas arriva con maggiore difficoltà. Questa differenza è particolarmente evidente nei tumori. Molte masse tumorali presentano infatti regioni caratterizzate da ipossia, cioè da bassi livelli di ossigeno. Queste condizioni non sono un semplice dettaglio ambientale, possono modificare profondamente il comportamento delle cellule cancerose, favorendo la loro aggressività e rendendole più resistenti alle terapie.

Nonostante la sua importanza, la maggior parte delle colture cellulari utilizzate nei laboratori espone le cellule a livelli uniformi di ossigeno, una situazione molto distante da quella che si verifica nei tessuti reali. Per superare questo limite, il team coordinato da Stefania Rapino del Dipartimento di Chimica “Giacomo Ciamician” dell’Università di Bologna ha sviluppato un sistema basato su un particolare idrogel contenente proteine ed enzimi.

Il materiale viene depositato sul fondo delle comuni piastre di coltura cellulare attraverso tecniche di microfabbricazione e stampa digitale. Una volta posizionato, consuma ossigeno in modo controllato e genera gradienti tridimensionali molto simili a quelli presenti nei tessuti umani.

«Nelle colture cellulari tradizionali la distribuzione dell’ossigeno è uniforme, ma nel corpo umano non è così», spiega Rapino. «Le cellule percepiscono livelli di ossigeno molto diversi a seconda della loro posizione: il nostro obiettivo era ricreare questa complessità in modo semplice e accessibile».

Uno degli aspetti più interessanti della tecnologia è la sua facilità di utilizzo. A differenza di sistemi più sofisticati come gli organoidi o le piattaforme organ-on-chip, non richiede incubatori specializzati, microfluidica avanzata o apparecchiature particolarmente costose. Può essere integrata nelle normali procedure di laboratorio mantenendo un elevato controllo delle condizioni sperimentali.

Per verificare l’efficacia del dispositivo, i ricercatori lo hanno testato su colture di cellule di tumore al seno. I risultati hanno mostrato che le cellule reagivano ai gradienti di ossigeno in modo molto simile a quanto osservato nei tessuti tumorali reali. Nelle zone caratterizzate da minore disponibilità di ossigeno, le cellule riducevano la propria crescita e attivavano specifici programmi molecolari associati alla sopravvivenza in condizioni di stress. Si tratta di adattamenti tipici dell’ipossia tumorale, una caratteristica che svolge un ruolo cruciale nella progressione della malattia.

«I test mostrano adattamenti tipici delle condizioni di ipossia», conferma Rapino. «Si tratta di un risultato particolarmente rilevante perché l’ipossia è associata sia all’evoluzione del tumore sia alla resistenza ai trattamenti».

La possibilità di riprodurre fedelmente questi fenomeni potrebbe offrire agli scienziati uno strumento più realistico per studiare i meccanismi biologici dei tumori e valutare l’efficacia di nuove molecole terapeutiche.

Oltre alla ricerca oncologica, il nuovo sistema potrebbe trovare applicazione in numerosi altri ambiti della biomedicina. Il dispositivo consente, infatti, di osservare e recuperare facilmente le cellule per successive analisi molecolari, integrandosi con le tecniche già utilizzate nei laboratori. Questo lo rende particolarmente interessante per lo screening farmacologico, la medicina personalizzata e lo studio di malattie in cui l’ossigenazione dei tessuti gioca un ruolo chiave.

La tecnologia ha già compiuto un importante passo verso il trasferimento industriale. L’Università di Bologna ha, infatti, depositato due brevetti e dato vita allo spin-off accademico InSimili, nato per trasformare questa innovazione in una piattaforma utilizzabile in ambito biomedico e farmaceutico.

Negli ultimi anni la ricerca biomedica ha investito molto nello sviluppo di modelli sperimentali sempre più vicini alla complessità del corpo umano. Ricreare in laboratorio non solo le cellule, ma anche il loro ambiente fisico e chimico, è considerato un passaggio fondamentale per ottenere risultati più affidabili e trasferibili alla pratica clinica. Il nuovo dispositivo sviluppato a Bologna si inserisce pienamente in questa direzione.