Funzionalizzazione di superfici per l'adesione celluare specifica mediata da tioli

The study of cell adhesion on non-organic materials is getting more and more important in the latest years. As a result the need to deep and better understand the topic is rising. This need is dictated by the growing interest in the biomedical sector, starting from the prosthesis, to artificial organs, or to the life support devices. The common aspect is the interaction with the cells, the study of which has led to the development of new surface modification techniques to promote or, more generally, to control cell adhesion. Cell adhesion is a complex process that binds cell to a surface. It occurs due to the interaction between some motifs of transmembrane proteins and the adsorbed protein layer on the surface. These interactions occur when the cells, suspended in a biological fluid containing proteins, come in contact with a surface. The surface characteristics influence the conformation, the orientation and the amount of adsorbed proteins, conditioning the subsequent behavior of cell adhesion. It has been shown that many of transmembrane proteins contain thiols, the Exofacial Proteins Thiols (EPTs), that are exposed to the extracellular environment. The ability of EPTs to change from the oxidized form (-S-S-) to the reduced form (-SH), depending on environmental conditions, is involved in many cellular activation functions. The thiolate membrane proteins also play a key role in cell adhesion. In fact the formation of the disulfide bond turns out to be the first bonding mechanism that the cell experiences when it comes to being in contact with a foreign surface. Therefore, studying the interaction between cells and a surface having sulfhydryl groups can be very interesting for the purposes of controlling cell adhesion. This work aims at developing and characterizing, from the chemical, physical and cells interaction point of view, functionalized substrates with different concentration of thiols, obtained by Sol-Gel dip-coating. The Sol-Gel is a chemical process that, starting from a solution, Sol, is able to generate different products according to the technology used (spinning, precipitating, jetting and coating). Through the dip-coating technique thin and homogeneous films can be laied on substrates with simple and cheap instruments. For this study three different alkoxysilanes were used: tetraethoxysilane (TEOS), (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane (MSH), n-propyltrimethoxysilane (CH₃), which respectively functionalize the surface with -OH, -SH, and -CH₃ chemical groups. The surface characterization studies concern both the physical aspects, such as thickness, roughness and wettability, and the chemical aspects, like chemical composition and thiols amount. It was also investigated the reproducibility of the Sol-Gel dip-coating technique, evaluating how creating coatings at different times can modify these characteristics. This aspect may be significant for a possible serial production level. Finally, the interaction between HeLa cells and surfaces has been studied, going to assess how the different concentration of thiols would change cell adhesion. In addition, cells have been treated in order to modify the EPTs units available to create disulfide bridges (thiols capping), to be then seeded again on the samples, so that to evaluate the new answer in terms of adhesion.  

Lo studio dell’adesione cellulare su materiali di origine non biologica sta diventando sempre più importante negli ultimi anni. Sorge pertanto la necessità di approfondire e meglio comprendere l’argomento. Tale necessità è dettata dal crescente interesse nel settore biomedicale, a partire dalle protesi, agli organi artificiali, o ai dispositivi di supporto alla vita. L’aspetto comune è l’interazione con le cellule, il cui studio ha portato allo sviluppo di nuove tecniche di modifica superficiale per promuovere o, più in generale, controllare l’adesione cellulare. L’adesione cellulare è un processo complesso che determina il legame delle cellule sulle superfici. Essa avviene grazie all’interazione di alcune sequenze di proteine di transmembrana con lo strato di proteine adsorbite sulla superficie del materiale. Le caratteristiche di superficie influenzano la conformazione, l’orientamento e la quantità di proteine adsorbite, condizionando il successivo comportamento di adesione cellulare. È stato dimostrato che molte proteine transmembrana contengono tioli, chiamati Exofacial Proteins Thiols (EPTs), che vengono esposti verso l’ambiente extracellulare. L’abilità degli EPTs di cambiare dalla forma ossidata (–S–S–) alla forma ridotta (–SH) in base alle condizioni ambientali, è coinvolta in molte funzioni di attivazione cellulare. Le proteine di membrana tiolate svolgono inoltre un ruolo fondamentale per l’adesione cellulare, in quanto, la formazione del legame disolfuro risulta essere il primo meccanismo di adesione che la cellula sperimenta quando viene ad essere in contatto con una superficie estranea. Pertanto, lo studio dell’interazione tra le cellule ed una superficie, che presenti gruppi sulfidrilici superficiali, può risultare molto interessante ai fini del controllo dell’adesione cellulare. Questo lavoro si prefigge il compito di sviluppare e caratterizzare, dal punto vista chimico, fisico e dell’interazione cellulare, substrati funzionalizzati con diverso tenore di tioli, ottenuti con la tecnica Sol-Gel dip-coating. Il Sol-Gel è un processo chimico che, partendo da una soluzione, il sol, è in grado di generare diversi prodotti in base alla tecnologia utilizzata (spinning, precipitating, jetting e coating). Attraverso le tecnica di dip-coating possono essere depositati film sottili ed omogenei su substrati mediante strumenti semplici e non costosi. Per tale studio sono stati impiegati tre diversi alcossisilani: tetraetossisilano (TEOS), (3-mercaptopropil)trimetossisilano (MSH), n-propiltrimetossisilano (CH₃), che rispettivamente consentono la funzionalizzazione della superficie con i gruppi chimici -OH, -SH e -CH3. Gli studi di caratterizzazione delle superfici riguardano sia gli aspetti fisici, quali lo spessore, la rugosità e la bagnabilità, che quelli chimici, quali la composizione chimica ed il tenore di tioli. È stata inoltre investigata la riproducibilità della tecnica del Sol-Gel dip-coating, valutando quanto la creazione di rivestimenti in tempi diversi andasse a modificare tali caratteristiche. Quest’ultimo aspetto può risultare significativo per una possibile produzione a livello seriale. Infine è stata analizzata l’interazione tra cellule HeLa e le superfici neocreate, andando a valutare come il diverso tenore di tioli di queste ultime influenzasse l’adesione cellulare. Le cellule sono state inoltre trattate chimicamente al fine di modificare il tenore di EPTs disponibili a creare ponti disolfuro (cappaggio dei tioli), per poi essere nuovamente seminate sui campioni, per valutare la nuova risposta in termini di adesione.