The role of reactive oxygen species in smart bio-organic interfaces

Polymer nanoparticles have a huge potential application in biotechnology and medicine. Recently, it has been demonstrated that organic semiconductors can reliably control the electrical activity of living cells and tissues. In particular, polythiophene NPs have been reported to enhance light sensitivity in Hydra Vulgaris animal model, with sizable effects on their behaviour and gene expression. However, the mechanisms behind polymer-based photo-transduction remain unclear. In this work, we extensively considered, as a possible transduction mechanism, the enhancement of physiological levels of Reactive Oxygen Species, at non-toxic levels. We provide evidences of ROS production in both cell and Hydra models, and we relate it to altered calcium signalling dynamics. Based on the present results, a model for photo – activation mechanism is presented and critically discussed.

La sintesi di nanoparticelle di polimero ha aperto interessanti possibilità nei campi della biotecnologia e della medicina. Recentemente è stato dimostrato che tramite semiconduttori organici, è possibile controllare e modulare l’attività di tessuti e cellule viventi. In particolare, sono state recentemente utilizzate nanoparticelle di politiofene in un modello di animale invertebrato (Hydra Vulgaris), ottenendo importanti effetti sia comportamentali sia di modulazione dell’espressione di specifici geni (opsine). Tuttavia, il meccanismo responsabile del processo di fototrasduzione è tutt’ora oscuro, in modelli in vitro così come in vivo. In questo lavoro, l’aumento dei livelli fisiologici di specie reattive con l’ossigeno (ROS) viene indagato come possibile spiegazione. Sono stati presi in considerazione un modello cellulare (Human Embryonic Kidney cells, HEK-293) ed un modello animale di invertebrato (Hydra Vulgaris). I risultati sperimentali mostrano una più intensa produzione di ROS nel caso di campioni trattati con nanoparticelle e soggetti ad illuminazione, sebbene a livelli non tossici, accompagnata da un’alterata dinamica di calcio intracellulare. Sulla base dei risultati ottenuti, viene presentato e criticamente discusso un possibile modello del processo di fototrasduzione.