La fibroina della seta sta vivendo una seconda vita straordinaria nei laboratori di tutto il mondo. Ciò che rende questa biomolecola particolarmente affascinante per le applicazioni moderne non è soltanto la sua biocompatibilità e la sua resistenza meccanica, ma una caratteristica che potrebbe sembrare secondaria: la sua eccezionale trasparenza alla luce. Quando viene processata adeguatamente, la fibroina può formare materiali con trasmittanza ottica superiore al 90% nello spettro del visibile, una proprietà che la avvicina molto al vetro ottico di alta qualità ma con il vantaggio fondamentale di essere completamente biocompatibile e biodegradabile.
Questa trasparenza non è un dettaglio estetico, ma apre possibilità rivoluzionarie quando la fibroina viene utilizzata come substrato per colture cellulari. A differenza dei tradizionali scaffold polimerici o dei gel di matrice extracellulare che possono assorbire o diffondere la luce in modo significativo, la fibroina permette il passaggio diretto dei fotoni attraverso strutture anche relativamente spesse, mantenendo caratteristiche di intensità e coerenza luminosa che sono fondamentali per applicazioni avanzate.
L'incontro con l'optogenetica
Questa tecnica, sviluppata principalmente nel primo decennio del XXI secolo, si basa sull'inserimento genetico di proteine fotosensibili chiamate opsine nelle membrane cellulari. Le opsine, originariamente scoperte in organismi come alghe e batteri, sono canali ionici che si aprono o si chiudono in risposta a specifiche lunghezze d'onda luminose. Quando vengono espresse nei neuroni, queste proteine permettono ai ricercatori di attivare o inibire singole cellule nervose semplicemente illuminandole con luce di colore appropriato, tipicamente blu per l'attivazione o giallo-arancione per l'inibizione.
La precisione spaziale e temporale dell'optogenetica è straordinaria: si può controllare l'attività di neuroni individuali con risoluzione millimetrica e temporale nell'ordine dei millisecondi. Tuttavia, questa tecnica richiede che la luce raggiunga effettivamente le cellule target, e qui emergono le limitazioni dei sistemi di coltura tradizionali. I substrati opachi o quelli che diffondono eccessivamente la luce creano gradienti di intensità luminosa difficili da controllare, limitando la profondità di penetrazione e l'uniformità della stimolazione.
Scaffold tridimensionali trasparenti
Gli scaffold di fibroina possono essere fabbricati in configurazioni tridimensionali complesse attraverso diverse tecnologie: elettrospinning per creare reti di nanofibre, freeze-drying per generare strutture spugnose porose, stampa 3D per geometrie precise e controllate, o tecniche di microfabbricazione per pattern definiti. Ciascuna di queste architetture mantiene la trasparenza caratteristica della fibroina quando le dimensioni delle strutture sono ottimizzate e il processo di cristallizzazione è controllato adeguatamente.
Quando cellule modificate optogeneticamente vengono coltivate all'interno di questi scaffold tridimensionali, si ottiene una situazione ideale: le cellule crescono in un ambiente tridimensionale che mima meglio la complessità dei tessuti reali rispetto alle colture bidimensionali su piastre di plastica, ma allo stesso tempo rimangono accessibili alla stimolazione luminosa anche quando si trovano in profondità nella struttura. Questo supera uno dei limiti principali dell'optogenetica applicata a costrutti tissutali ingegnerizzati, dove la luce tipicamente penetra solo poche centinaia di micrometri nei tessuti densi.
Applicazioni nelle neuroscienze avanzate
Le implicazioni per le neuroscienze sono molteplici e profonde. Gli organóidi cerebrali, queste strutture tridimensionali che ricapitolano aspetti dello sviluppo cerebrale umano, possono ora essere coltivati su o all'interno di scaffold di fibroina, permettendo di studiare circuiti neuronali complessi con controllo optogenetico preciso. Ricerche recenti hanno dimostrato che neuroni corticali umani derivati da cellule staminali pluripotenti, quando coltivati su scaffold di fibroina e modificati per esprimere channelrhodopsin-2, rispondono in modo robusto e riproducibile alla fotostimolazione anche dopo settimane di coltura, mantenendo proprietà elettrofisiologiche mature.
La possibilità di creare modelli tridimensionali di tessuto nervoso fotostimolabile apre nuove strade per comprendere malattie neurodegenerative, disturbi dello sviluppo neurologico e meccanismi di plasticità sinaptica. Per esempio, si possono studiare come specifici pattern di attività neuronale influenzino la formazione di reti sinaptiche durante lo sviluppo, o come disfunzioni in circuiti specifici contribuiscano a patologie come l'epilessia o i disturbi dello spettro autistico.
Vantaggi oltre la trasparenza
La fibroina offre vantaggi che vanno oltre le sue proprietà ottiche. La sua compatibilità meccanica con i tessuti nervosi, che hanno una rigidità molto bassa rispetto ad altri tessuti, è eccellente quando la fibroina viene processata in forme idratate. Il modulo elastico può essere modulato tra poche decine di kilopascal fino a diversi megapascal semplicemente variando il grado di cristallinità o creando compositi con altri polimeri, permettendo di replicare la consistenza specifica di diverse regioni cerebrali.
Inoltre, la superficie della fibroina può essere facilmente funzionalizzata con molecole bioattive come peptidi di adesione cellulare, fattori di crescita o molecole della matrice extracellulare, creando microambienti che guidano il differenziamento cellulare e la morfologia neuronale. Studi hanno dimostrato che neuroni coltivati su fibroina funzionalizzata con sequenze RGD o laminina mostrano migliore adesione, estensione dei neuriti e formazione di sinapsi rispetto a substrati non modificati.
Verso una neuroscienza più sofisticata
La convergenza tra biomateriali avanzati come la fibroina e tecniche di neuromodulazione come l'optogenetica rappresenta un esempio eloquente di come l'innovazione scientifica emerga spesso all'intersezione di discipline diverse. Mentre la neuroscienza fornisce gli strumenti genetici e concettuali per controllare l'attività neuronale con la luce, la scienza dei materiali offre le piattaforme fisiche che rendono questo controllo praticabile in sistemi biologici complessi.
Gli scaffold di fibroina trasparenti non sono semplicemente un supporto inerte su cui coltivare cellule, ma diventano parte integrante del sistema sperimentale, abilitando domande di ricerca che sarebbero impossibili con tecnologie precedenti. Dalla comprensione fondamentale di come i circuiti neuronali si auto-organizzano, allo sviluppo di modelli di malattia più fedeli alla realtà biologica, fino alla possibilità di testare terapie geniche o farmacologiche su tessuti ingegnerizzati che rispondono a stimoli precisi, le applicazioni si estendono attraverso l'intero spettro delle neuroscienze moderne.
