Smart organic interfaces for remote optical control of living cells physiology

The modulation of living cell physiology is the exciting core of new possible therapeutic approaches and future medicine. Intracellular signalling, that is at the basis of cell physiology, is modulated by cascades of biochemical reactions, that are the target of the pharmaceutical approach, the golden standard for cell modulation. Though, it lacks selectivity and sensitivity, therefore new approaches are under investigation. In particular, interesting results emerged from the use of exogenous materials that respond to an external stimulus, as electric, magnetic, acoustic or light, and deliver specific biochemical and biophysical signals. Each comes with pros and cons, in particular the use of wiring, as in the electrical stimulation, is invasive. Contrariwise, contactless approaches, like optical and magnetic stimulation, allow to overcome this limitation. In this context, light sensitive materials, and in particular organic semiconductors, emerged for their excellent biocompatibility and flexibility of fabrication, offering attractive platforms for cell stimulation with different geometries. This doctoral thesis proposes the light stimulation of polythiophene materials as a possible cue for intracellular redox signalling modulation. We first demonstrate that the polymer exhibits biochemical and biophysical stimuli upon photoexcitation in contact with a physiological-like electrolyte, establishing a functional interaction with a pivotal redox protein, i.e. the Cytochrome C. We successfully administer polymeric nanoparticles to a line cells, proving that the photoexcitation triggers intracellular redox dynamics. Finally, we interface polymeric thin films with stem cells and monitor the light triggered signalling cascade, focusing our attention on differentiation pathways. In perspective, this doctoral thesis paves the way for future therapeutic approaches based on photoactive materials.

Il controllo della fisiologia cellulare è alla base dello sviluppo di futuri approcci terapeutici e medici. La fisiologia cellulare si basa su reazioni biochimiche, ed è possibile modularle tramite somministrazione di farmaci. L’approccio farmacologico, tuttavia, presenta importanti limiti, quali mancanza di selettività e sensibilità, richiedendo lo sviluppo di nuovi approcci che sono attualmente oggetto di studio. Fra questi, l’utilizzo di materiali esogeni alla cellula e sensibili a stimoli esterni, quali campi elettrici e magnetici, onde acustiche e luce, hanno destato notevole interesse. Stimoli quali luce e campi magnetici hanno permesso il controllo cellulare da remoto, superando l’invasività dell’utilizzo di fili conduttori, come nel caso della stimolazione elettrica. I materiali organici, forti di una elevata biocompatiblità, hanno aperto nuovi orizzonti nel campo della stimolazione cellulare, soprattutto grazie alla facilità di realizzazione di diverse geometrie di stimolazione. L’obiettivo di questa tesi di Dottorato risiede nello studio dell’utilizzo di materiali semiconduttori, basati su politiofeni e sensibili alla luce, per la regolazione della fisiologia cellulare, interagendo con la comunicazione intracellulare, e in particolare con le reazioni redox della cellula. In primis, verrà caratterizzato il comportamento del polimero in un ambiente extracellulare interfacciandolo con elettroliti fisiologici. In particolare, dimostriamo come il polimero stabilisca un’interazione funzionale con una proteina di importanza cruciale nel ciclo di respirazione cellulare, i.e. il Citocromo C. Successivamente, presentiamo i risultati ottenuti interfacciando il polimero con diversi modelli cellulari. Le nanoparticelle polimeriche sono internalizzate nel citosol dove, a seguito di fotoeccitazione, regolano la comunicazione intracellulare modulando gli ioni calcio e le specie reattive con l’ossigeno, entrambi importanti messaggeri intracellulari. La modulazione degli ioni calcio viene ottenuta anche tramite l’utilizzo di film sottili, interfacciati con cellule staminali da tessuto adiposo, indice di attivazione di processi legati al differenziamento cellulare. In prospettiva, questa tesi di Dottorato dimostra l’ampio spettro di applicabilità di materiali fotoattivi nel campo della modulazione cellulare.