Per la prima volta un gruppo di ricercatori e’ riuscito a riprodurre artificialmente il segnale elettrico tipico delle cellule muscolari cardiache utilizzando elettronica organica basata su plastiche conduttive. Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Communications da un team della Linkoping University, rappresenta un importante passo avanti nello sviluppo di future protesi bioelettroniche, impianti cardiaci intelligenti, pacemaker di nuova generazione e sensori capaci di dialogare direttamente con i tessuti biologici.
Il cuore umano compie in media circa 2,6 miliardi di battiti nell’arco della vita. Questa attivita’ incessante dipende da un sofisticato sistema di segnali elettrici generati dal movimento di ioni come sodio, potassio e calcio attraverso la membrana delle cellule cardiache. L’ingresso e l’uscita di questi ioni producono il cosiddetto potenziale d’azione, l’impulso elettrico che coordina la contrazione del muscolo cardiaco e permette al sangue di essere pompato in tutto l’organismo. Riprodurre artificialmente questo meccanismo si e’ pero’ rivelato molto piu’ difficile rispetto ad altri sistemi biologici. A differenza delle cellule nervose, le cellule del cuore utilizzano canali ionici del calcio che lavorano piu’ lentamente rispetto a quelli del sodio e del potassio. Questa caratteristica crea una dinamica elettrica particolarmente complessa che i dispositivi elettronici tradizionali, progettati per funzionare ad altissima velocità, faticano a imitare. “E’ proprio questa lentezza a rappresentare il collo di bottiglia quando si tenta di utilizzare l’elettronica convenzionale”, spiega Dace Gao, ricercatore del Laboratory of Organic Electronics e primo autore dello studio. “L’elettronica organica e’ invece piu’ adatta perche’ può trasportare sia ioni sia elettroni e quindi comunicare in modo molto piu’ simile alle cellule del corpo umano”.
Per superare il problema, il gruppo guidato da Simone Fabiano ha sviluppato una cellula cardiaca artificiale costruita con polimeri conduttivi. Il dispositivo non riproduce la struttura biologica del cardiomiocita, ma ne imita con precisione il comportamento elettrico, generando potenziali d’azione molto simili a quelli osservati nelle cellule reali. La ricerca rappresenta l’evoluzione naturale di precedenti lavori dello stesso laboratorio, che negli anni scorsi aveva gia’ realizzato neuroni artificiali capaci di simulare l’ attività elettrica delle cellule nervose. Tuttavia il cuore presentava sfide completamente differenti e richiedeva lo sviluppo di una nuova architettura elettronica.
“Non vogliamo semplicemente copiare la biologia”, osserva Simone Fabiano, professore di Scienza dei Materiali alla Linkoping University. “Il nostro obiettivo e’ comprendere e sfruttare i principi che rendono questi segnali biologici cosi’ efficienti”. Secondo i ricercatori, la nuova piattaforma potrebbe essere utilizzata già nel breve termine come modello sperimentale per studiare il comportamento del cuore in condizioni controllate. Essendo un sistema hardware, permette infatti di modificare parametri come concentrazione ionica e pH per osservare come cambiano i segnali elettrici cardiaci, offrendo nuove opportunità per la ricerca fisiologica e farmacologica. Le prospettive piu’ ambiziose riguardano però le applicazioni mediche future. I ricercatori immaginano dispositivi bioelettronici in grado di integrarsi direttamente con il tessuto cardiaco, piccoli pacemaker “naturali”, impianti per la stimolazione muscolare o sensori capaci di individuare precocemente alterazioni del ritmo cardiaco e attivare automaticamente contromisure terapeutiche. Per arrivare a questi risultati resta pero’ da superare una sfida fondamentale. Le cellule artificiali dovranno essere in grado non solo di generare segnali simili a quelli biologici, ma anche di riceverli dalle cellule viventi e trasmetterli ad altre cellule. “Le cellule artificiali dovranno agire come un ponte”, sottolinea Gao. “Dovranno ricevere il segnale da una cellula biologica e trasferirlo ad altre cellule. Quando riusciremo a ottenere questa comunicazione bidirezionale saremo molto piu’ vicini alle applicazioni biomediche”. Lo studio rappresenta uno dei primi esempi di cardiomiocita artificiale realizzato con elettronica organica e conferma il crescente interesse verso dispositivi bioibridi capaci di combinare materiali sintetici e tessuti viventi. In prospettiva, tecnologie di questo tipo potrebbero aprire una nuova generazione di interfacce tra elettronica e organismo umano, con applicazioni che vanno dalla cardiologia alla medicina rigenerativa fino alle neuroprotesi avanzate.
