La barriera ematoencefalica (BBB) è una struttura complessa, formata da cellule endoteliali, astrociti e periciti, e che regola con estrema selettività il passaggio delle molecole dal circolo ematico al tessuto cerebrale, proteggendo il cervello ma limitando la penetrazione dei farmaci terapeutici. La maggior parte dei composti candidati nel trattamento di patologie neurodegenerative, come Alzheimer o Parkinson, fallisce proprio a causa della scarsa permeabilità attraverso la BBB. In tale contesto, i modelli in vitro tridimensionali su base biomateriale rappresentano una nuova frontiera per riprodurre fedelmente le dinamiche fisiologiche e patologiche della barriera, consentendo test predittivi più accurati e una drastica riduzione della sperimentazione animale. Tra i materiali più promettenti in questo ambito si va evidenziando sempre di più la potenza della fibroina, capace di offrire caratteristiche di biocompatibilità, trasparenza ottica, stabilità meccanica e permeabilità controllabile che la rendono un candidato ideale per la costruzione di membrane biomimetiche.
Fibroina come scaffold biomimetico per la barriera ematoencefalica
La fibroina di seta si distingue per la sua struttura β-sheet, che conferisce un’elevata resistenza meccanica e la possibilità di modulare le proprietà fisico-chimiche attraverso processi di ricristallizzazione controllata. Diversamente da polimeri sintetici o materiali come il collagene e il PLLA, la fibroina consente di ottenere superfici altamente uniformi e personalizzabili in termini di porosità e spessore, fondamentali per simulare l’ambiente microvascolare della BBB. In studi recenti, la fibroina è stata utilizzata come supporto per la crescita di cellule endoteliali cerebrali umane derivate da cellule staminali pluripotenti (hiPSC-BMECs), dimostrando la capacità di mantenere la polarità cellulare, l’espressione delle tight junctions (claudina-5, occludina, ZO-1) e una resistenza elettrica transepiteliale (TEER) paragonabile a quella osservata in modelli animali. Inoltre, la trasparenza ottica delle membrane di fibroina permette un monitoraggio diretto mediante microscopia confocale o imaging in tempo reale, agevolando lo studio dinamico del trasporto molecolare e delle interazioni cellula-materiale.
Vantaggi dei modelli tridimensionali su fibroina
I modelli tradizionali bidimensionali di BBB, basati su colture su inserti di policarbonato o su Transwell, pur offrendo una certa riproducibilità, non replicano le condizioni di flusso, shear stress e tridimensionalità tipiche dei microvasi cerebrali. Le membrane di fibroina, integrate in sistemi microfluidici, consentono invece la formazione di co-colture endoteliali-astrocitarie su canali separati ma comunicanti, riproducendo più fedelmente le forze emodinamiche e i gradienti di nutrienti. In tali modelli, la fibroina funge da substrato neutro ma dinamico, che può essere funzionalizzato con peptidi di adesione, laminina o collagene IV per incrementare l’interazione cellulare e la maturazione delle giunzioni strette. Gli studi comparativi hanno mostrato che i modelli su fibroina presentano un TEER più stabile nel tempo e una minore permeabilità a traccianti di peso molecolare elevato, dimostrando una migliore integrazione strutturale e una maggiore fedeltà fisiologica rispetto ai modelli sintetici convenzionali.
Applicazioni nello screening farmacologico neurologico
L’impiego di modelli BBB su fibroina apre prospettive notevoli per la fase di screening dei farmaci neuroattivi. La possibilità di misurare in tempo reale la permeazione di composti e la risposta cellulare consente di discriminare precocemente tra molecole potenzialmente efficaci e candidati privi di capacità di attraversamento. Questi sistemi sono particolarmente utili per valutare nanocarrier, liposomi e sistemi di drug delivery mirati al cervello, poiché permettono di osservare il comportamento delle nanoparticelle in un contesto tridimensionale realistico. La combinazione di questi modelli con tecniche di microelettrodi o biosensori integrati su fibroina offre anche la possibilità di rilevare variazioni di potenziale e segnali bioelettrici, ampliando la capacità predittiva verso parametri funzionali e non solo strutturali. In aggiunta, la compatibilità della fibroina con tecnologie di stampa 3D consente di creare modelli personalizzati, adattabili alle dimensioni dei microvasi cerebrali e alla specifica fisiopatologia da studiare.
Guardando al futuro
L’adozione di modelli BBB su scaffold di fibroina si inserisce nel più ampio contesto della transizione verso una ricerca biomedica sostenibile e animal-free. Questi sistemi non solo riducono la necessità di test in vivo, ma offrono anche una maggiore coerenza con i modelli umani, migliorando la predittività dei risultati clinici e diminuendo i fallimenti nelle fasi di sperimentazione avanzata. Le prospettive future includono l’integrazione con organ-on-chip multicompartimentali, in grado di simulare la connessione funzionale tra BBB e altri organi, come fegato e intestino, per comprendere la farmacocinetica complessiva di un composto. Parallelamente, l’uso di intelligenza artificiale per l’analisi delle immagini e la modellizzazione predittiva dei dati di permeabilità consentirà di correlare parametri strutturali della fibroina (cristallinità, reticolazione, densità dei pori) con la performance biologica, generando un ciclo virtuoso di ottimizzazione data-driven.
