Come la tecnologia utilizzata dagli assi dell’aviazione della Prima Guerra Mondiale ha ispirato la scoperta di nuovi comportamenti cellulari

“Ogni cellula risponde al pH”, spiega Jinglei Ping, professore associato di ingegneria meccanica e industriale all’UMass Amherst e autore corrispondente dello studio. “Il comportamento e le funzioni delle cellule sono fortemente influenzati dal pH. Alcune cellule perdono vitalità quando il pH raggiunge un certo livello e per alcune cellule il pH può modificare le loro proprietà fisiologiche.” Precedenti lavori hanno dimostrato che cambiamenti del pH anche di appena 0,1 unità di pH possono avere effetti fisiologicamente significativi sulle cellule.

Tuttavia, studiare l’impatto diretto dei cambiamenti di pH è stato impegnativo perché i metodi esistenti per cambiare l’ambiente cellulare sono lenti e si basano sulla diffusione. “Il modo in cui una cellula specifica risponde alla variazione del pH in tempo reale è sconosciuto”, afferma Ping.

È stato stabilito che il pH può essere manipolato con un microelettrodo, fornendo i mezzi iniziali per la progettazione, ma farlo misurando anche la variazione di pH ha introdotto un nuovo ostacolo: il transistor al grafene per misurare il pH è anche sensibile alla corrente proveniente da il microelettrodo modulante il pH. “Quindi, la corrente misurata non è specifica per il pH”, afferma Ping.

È qui che Ping ha preso ispirazione dalla sincronizzazione delle mitragliatrici e delle eliche degli aerei da caccia. Negli aerei da caccia, le mitragliatrici si trovano dietro l’elica. L’aereo deve sparare proiettili senza colpire la propria elica. La soluzione è che le mitragliatrici siano sincronizzate con l’elica in modo che le armi a fuoco rapido sparino solo quando sono allineate con un’apertura tra le pale dell’elica che si muovono più lentamente.

Il team di Ping ha creato un divario simile interrompendo brevemente la corrente che modifica il pH. Questo intervallo di millisecondi è abbastanza grande da consentire al transistor di effettuare una registrazione accurata del pH senza l’interferenza della corrente proveniente dal microelettrodo, ma abbastanza piccolo da non consentire al pH di tornare alla normalità.

Il loro dispositivo è stato in grado di manipolare il pH con una risoluzione di 0,1 unità di pH, superando di gran lunga i precedenti tentativi basati su elettrodi che raggiungevano solo 0,6 unità di pH.

Hanno testato il loro dispositivo su batteri e cellule cardiache. Hanno scoperto che il movimento dei batteri (Bacillus subtilis) diminuisce man mano che l’ambiente diventa più basico. Rispetto ai metodi convenzionali, il nuovo metodo era più efficiente. Richiedeva un singolo campione e catturava nove punti dati in circa nove minuti, mentre il metodo convenzionale impiegava due ore per raccogliere 13 punti dati, ciascuno dei quali richiedeva il proprio campione.

Hanno anche scoperto che quando il pH dell’ambiente viene ridotto da neutro (7) ad acido (circa 4), i cardiomiociti raddoppiano la frequenza del battito cardiaco, evidenziando il potenziale del dispositivo di far avanzare la comprensione scientifica della relazione tra acidosi metabolica (quando il corpo è troppo acido) e tachicardia (una condizione in cui il cuore batte troppo velocemente), nonché per affrontare importanti questioni terapeutiche in cardiologia.

“Apre le porte e risolve una questione tecnica, e fa emergere molte domande ipotetiche per gli scienziati”, afferma Ping. “Non dirò che abbiamo affrontato nessuna di queste domande a lungo termine, ma forniamo uno strumento per affrontarle.”

Ping prevede che questa tecnologia possa essere applicata alla bioelettronica, all’ingegneria dei tessuti, alla terapia dei tumori e alla medicina rigenerativa.

Questa ricerca è stata supportata dall’Ufficio per la ricerca scientifica dell’aeronautica militare del Dipartimento della difesa degli Stati Uniti, con i numeri di premio FA9550-20-1-0125 e FA9550-23-1-0601.