Conjugated polymer-based nanoparticles and microstructured biointerfaces for optical control of cell metabolism and fate

The capability to modulate the physiological activity of living cells with reversibility, spatial-temporal resolution and in a minimally invasive way is a timeless mission for scientists, since it could allow both to understand specific biological functions and to propose novel therapeutic approaches. In this context, optical techniques are gaining increasing interest since light can fulfill all the requirements. Animal cells do not bear light sensitivity, thus phototransduction mechanisms are needed; organic semiconductors are emerging as ideal candidate due to their excellent biocompatibility, their capability to conduct both ions and electrons, their mechanical conformability and the possibility to functionalize them with biomolecules or drugs; moreover, compared to optogenetics techniques, they avoid viral gene transfer. This thesis reports the use of polythiophenes, both in form of NPs and microstructured 3D devices, as smart photoactive biointerfaces, together with their fabrication and characterization. Polymer beads, once internalized inside cytoplasm in HEK and HUVECs cells, can generate ROS at non-toxic levels through photoelectrochemical reactions; in the last years, the beneficial effects of a tightly controlled ROS production have been explored for therapeutic approaches. Different strategies to optimize the photocatalytic efficiency of conjugated polymer NPs will be explore, acting both on the choice of the surfactant and on the possibility to fabricate more complex structures, as core/shell NPs. Polymer beads can also optically promote or inhibit cell migration in human keratinocytes and regeneration processes in Hydra Vulgaris, depending on the redox balance induced by the stimulation of NPs. HAR P3HT microstructured arrays, fabricated through push-coating technique, can combine the optical stimulation with mechanical cues and allow to grow cells in 3D structures. P3HT pillars represent a relatively soft interface that promotes cell adhesion; neuronal soma achieves a close contact with pillars, mediated by cytoskeleton and plasma membrane rearrangements. Both the topography and the light stimulation can promote neurogenesis, therefore this platform is promising for regenerative medicine. Finally, astrocytes plated on P3HT pillars display a remarkable change in cell morphology; both the polymeric microstructure and the light stimulation can regulate anionic channels conductance. Interestingly, also Ca2+ activity on polymer pillars can be modulated; Ca2+ activity in astrocytes regulates several physiological functions, thus HAR P3HT pillars could be exploited to investigate the biological mechanisms at the basis of several neurodegenerative diseases and to propose novel medical strategies.

La capacità di modulare l’attività fisiologica di cellule viventi con reversibilità, alta risoluzione spaziale e temporale e in modo non invasivo è un importante obiettivo per gli scienziati, poiché permetterebbe sia di comprendere specifiche funzioni biologiche, sia di proporre nuove strategie terapeutiche. In questo contesto, le tecniche ottiche stanno acquisendo sempre maggior interesse poiché la luce soddisfa tutti i requisiti elencati. Le cellule animali non sono sensibili alla luce, perciò sono necessari meccanismi di foto-trasduzione: i semiconduttori organici stanno emergendo come candidati ideali per la loro eccellente biocompatibilità, la loro capacità di condurre sia ioni che elettroni, la loro conformabilità meccanica e la possibilità di essere funzionalizzati con biomolecole; inoltre, rispetto all’optogenetica, non necessitano di una modificazione genetica del DNA delle cellule. Questa tesi riporta l’uso di politiofeni, sia in forma di nanoparticelle che in forma di dispositivi 3D microstrutturati, come biointerfacce fotoattive, insieme con la loro fabbricazione e caratterizzazione. Le nanoparticelle polimeriche, una volta internalizzate nel citoplasma in cellule HEK e HUVECs, possono generare ROS a livelli non tossici attraverso reazioni fotoelettrochimiche; negli ultimi anni, gli effetti benefici di una controllata produzione di ROS sono stati esplorati per nuove strategie terapeutiche. Diverse strategie per ottimizzare l’efficienza fotocatalitica delle nanoparticelle di polimeri coniugati sono state esplorate, agendo sia sulla scelta del surfattante sia sulla possibilità di fabbricare strutture più complesse, come nanoparticelle core/shell. Le nanoparticelle polimeriche possono inoltre promuovere o inibire, attraverso stimolazione ottica, la migrazione cellulare in cheratinociti umani e i processi di rigenerazione in Hydra Vulgaris, a seconda del bilancio redox indotto dalla stimolazione delle nanoparticelle. Biointerfacce di P3HT microstrutturate, composte da una sequenza regolare di pillars, fabbricate attraverso la tecnica di push-coating, possono combinare la stimolazione ottica con quella meccanica e permettono di crescere le cellule in strutture 3D. Questa biointerfaccia favorisce l’adesione cellulare; il soma dei neuroni raggiunge uno stretto contatto con i pillars, mediato da riarrangiamenti del citoscheletro e della membrana cellulare. Sia la topografia che la stimolazione ottica possono favorire la neurogenesi, perciò questo dispositivo è promettente per la medicina rigenerativa. Infine, astrociti cresciuti sui pillars di P3HT mostrano una notevole differenza nella morfologia cellulare; sia la microstruttura polimerica che la stimolazione ottica possono regolare la conduttanza dei canali anionici. Inoltre, l’attività degli ioni calcio negli astrociti cresciuti sui pillars di P3HT può essere modulata; i flussi di ioni calcio negli astrociti regolano diverse funzioni fisiologiche, perciò i pillars di P3HT possono essere utilizzati per studiare i meccanismi biologici alla base di diverse malattie neurodegenerative e per proporre nuove strategie terapeutiche.