Biosensori organici: quando l’elettronica incontra la biologia per diagnosticare le malattie rare

“Faccio una premessa: non sono un medico, sono un chimico, un chimico fisico più precisamente”, ha esordito Bortolotti con franchezza. Questa prospettiva “esterna” al mondo medico ha portato un contributo prezioso al convegno, dimostrando come la medicina di precisione richieda l’integrazione di competenze molto diverse: dalla clinica alla genetica, dalla bioinformatica alla chimica fisica.
L’obiettivo dichiarato dell’intervento era “incuriosire rispetto a questa tecnologia, mostrarne le potenzialità ed eventualmente anche i limiti, per stimolare l’interesse verso una possibile applicazione anche nell’ambito delle malattie rare”. Un obiettivo pienamente raggiunto attraverso la presentazione di tre applicazioni concrete della tecnologia.

Che cos’è un biosensore?
Prima di entrare nei dettagli tecnici, Bortolotti ha chiarito il concetto fondamentale: un biosensore è un dispositivo che rileva – e idealmente quantifica – la presenza di uno o più analiti, ad esempio biomarcatori di situazioni fisiopatologiche, presenti in soluzione.
Il funzionamento si basa su due componenti principali. Prima c’è l’elemento di bioriconoscimento: un anticorpo, un aptamero, un enzima, o un filamento di acido nucleico, che riconosce in modo selettivo e specifico il proprio target all’interno del campione. Parte della ricerca del laboratorio di Bortolotti è dedicata proprio alla selezione di questo elemento di riconoscimento, cruciale per la specificità del sensore.
Poi c’è la fase di trasduzione: la trasformazione dell’evento biochimico (il legame tra l’elemento di riconoscimento e il suo target) in un segnale misurabile. Nel caso dei biosensori sviluppati a Modena, questo segnale è elettronico, ma può anche essere ottico o magnetico in altre tecnologie.
Per essere affidabile dal punto di vista clinico, un biosensore deve garantire tre caratteristiche fondamentali:

• Basso limite di rilevabilità – la capacità di riconoscere anche pochissime molecole del target
• Alta sensibilità – piccole variazioni di concentrazione devono produrre grandi variazioni nel segnale
• Riproducibilità – i risultati devono essere consistenti tra diverse misurazioni

La bioelettronica: un ponte tra due mondi
I biosensori sviluppati dal gruppo di Bortolotti appartengono al campo della bioelettronica, “una disciplina che collega due mondi apparentemente lontani: quello dell’elettronica tradizionale e quello della comunicazione nei sistemi biologici”.
Nei sistemi biologici, la comunicazione avviene prevalentemente tramite ioni (sodio, potassio, calcio, cloro) che si muovono attraverso canali e generano potenziali elettrici. Nell’elettronica tradizionale, invece, la comunicazione avviene tramite correnti di elettroni che si muovono in semiconduttori o conduttori metallici.
I dispositivi bioelettronici fungono da ponte tra questi due mondi. Possono essere usati in due direzioni: come attuatori per stimolare un sistema biologico (per esempio, pacemaker cardiaci o impianti cocleari), oppure come sensori per rilevare segnali biologici come la concentrazione di biomarcatori. Il lavoro del gruppo di Bortolotti si concentra su quest’ultima applicazione.

Transistor organici che funzionano in liquido
I biosensori bioelettronici sviluppati a Modena sono transistor a tre elettrodi che funzionano immersi in ambiente liquido, utilizzando un elettrolita che consente il passaggio di corrente. La caratteristica distintiva è l’uso di materiali organici invece del silicio: molecole, polimeri, nanotubi di carbonio o grafene.
“La struttura può variare: in alcuni dispositivi, l’elettrodo di gate è sopra gli altri due (source e drain), in altri sono tutti coplanari”, ha spiegato Bortolotti. Il liquido – che può essere un campione biologico come sangue, saliva o urina – collega gli elettrodi e permette al dispositivo di funzionare.
Quando un biomarcatore si lega all’elemento di riconoscimento immobilizzato sul gate del transistor, cambia la capacità del gate di controllare la corrente che fluisce tra source e drain. Questo cambiamento di corrente è il segnale che viene misurato e che indica la presenza e la concentrazione del biomarcatore.

Versatilità: da piccole molecole a grandi aggregati
Dopo dieci anni di lavoro su questi dispositivi, il laboratorio ha dimostrato una versatilità impressionante. “Possiamo rilevare sia piccole molecole come il cortisolo, sia grandi aggregati come le vescicole extracellulari”, ha affermato Bortolotti. Il gruppo ha sviluppato biosensori per citochine (IL-4, IL-6, TNF-α), neurofilamenti, virus e molecole piccole come l’urea.
Questa versatilità è particolarmente rilevante per le malattie rare, dove i biomarcatori possono essere molto diversi: piccole molecole metaboliche, proteine alterate, anticorpi specifici, frammenti di acidi nucleici. Avere una piattaforma tecnologica che può essere adattata a target così diversi rappresenta un vantaggio significativo.

Primo esempio: il cortisolo
Il primo caso applicativo presentato riguarda la rilevazione del cortisolo, un ormone steroideo prodotto dalle ghiandole surrenali in risposta allo stress. I livelli di cortisolo sono importanti indicatori in diverse condizioni patologiche, dalla sindrome di Cushing all’insufficienza surrenalica.
Il biosensore sviluppato utilizza anticorpi specifici per il cortisolo immobilizzati sul gate del transistor. Quando il cortisolo presente nel campione si lega agli anticorpi, provoca una variazione nella corrente elettrica del dispositivo. Gli esperimenti di laboratorio hanno prodotto curve dose-risposta con buona sensibilità, distinguendo chiaramente i segnali specifici da quelli aspecifici grazie a controlli con anticorpi non corrispondenti.
La capacità di distinguere il segnale specifico dal rumore di fondo è cruciale per l’affidabilità clinica. I controlli negativi (dispositivi con anticorpi non specifici per il cortisolo) non mostrano variazioni significative di corrente, confermando che il segnale osservato con gli anticorpi specifici è realmente dovuto al legame del cortisolo.

Secondo esempio: anticorpi anti-farmaco (ADA)
Il secondo esempio applicativo riguarda la rilevazione di anticorpi anti-farmaco (ADA), in particolare contro il nivolumab, un anticorpo monoclonale utilizzato in immunoterapia oncologica. Alcuni pazienti trattati con farmaci biologici sviluppano una risposta immunitaria contro il farmaco stesso, producendo anticorpi che possono neutralizzarne l’efficacia o causare effetti avversi.
In questo caso, l’elemento di riconoscimento è il farmaco stesso: il nivolumab è stato immobilizzato sull’elettrodo tramite proteina G, in modo da orientare correttamente la molecola e favorire il legame con eventuali anticorpi anti-nivolumab presenti nel campione.
“Quando la soluzione contenente ADA entra in contatto col dispositivo, se c’è interazione, questa modifica la corrente elettrica tra source e drain, in modo dipendente dalla concentrazione dell’anticorpo”, ha spiegato Bortolotti. Il risultato sono curve dose-risposta che permettono di stimare parametri importanti come la costante di affinità e il limite di rilevabilità.
Il limite di rilevabilità raggiunto è impressionante: 100 femtomolari (fM), ovvero 100 × 10^-15 moli per litro. Questa sensibilità estremamente elevata significa che il dispositivo potrebbe rilevare precocemente risposte immunitarie indesiderate in pazienti trattati con farmaci biologici, permettendo aggiustamenti terapeutici tempestivi.

Terzo esempio: vescicole extracellulari
L’ultimo esempio riguarda le vescicole extracellulari, piccole particelle rilasciate dalle cellule che contengono proteine, acidi nucleici e lipidi. Le vescicole extracellulari stanno emergendo come importanti biomarcatori in oncologia e in altre patologie, poiché riflettono lo stato della cellula di origine.
Questo lavoro è stato sviluppato all’interno del progetto HEAL ITALIA, in collaborazione con il gruppo del Prof. Massimo Dominici. Le vescicole extracellulari rappresentano un target più complesso rispetto ai precedenti: sono strutture di dimensioni nanometriche (50-200 nm) con una membrana lipidica.
La prima sfida era evitare che le vescicole si fondessero con la superficie dell’elettrodo, cosa che avrebbe causato segnali aspecifici. “Abbiamo selezionato superfici chimicamente inerti (come il decantioolo) per inibire questa interazione indesiderata”, ha spiegato Bortolotti.
Successivamente, sono stati immobilizzati anticorpi specifici per le tetraspanine (CD9, CD63, CD81), proteine di membrana caratteristiche delle vescicole extracellulari. L’albumina è stata aggiunta per saturare i siti non funzionalizzati e ridurre i segnali di fondo.
L’aggiunta di vescicole extracellulari contenenti le proteine target ha portato a una chiara variazione della corrente elettrica, indicativa di legame specifico. Controlli negativi con anticorpi non specifici non hanno prodotto alcuna variazione di segnale, confermando la specificità del rilevamento.

Flessibilità e necessità di personalizzazione
Un messaggio chiave dell’intervento è che “la piattaforma è estremamente flessibile: può essere adattata per rilevare biomarcatori molto diversi tra loro, sia per dimensioni che per concentrazione”. Questa flessibilità è essenziale per le applicazioni nelle malattie rare, dove i biomarcatori rilevanti possono variare enormemente da una patologia all’altra.
Tuttavia, Bortolotti ha anche sottolineato che “ogni target richiede un lavoro mirato: nella selezione dell’elemento di riconoscimento, nella chimica delle superfici, e nell’architettura del dispositivo”. Non esiste un biosensore universale: ogni applicazione richiede ottimizzazione specifica.
Questo equilibrio tra flessibilità della piattaforma e necessità di personalizzazione è tipico delle tecnologie per la medicina di precisione. La sfida è sviluppare piattaforme sufficientemente versatili da poter essere adattate a molti target diversi, ma poi investire il tempo necessario per ottimizzare ogni specifica applicazione.

Potenziale applicazione alle malattie rare
Pur non avendo ancora sviluppato biosensori specificamente per malattie rare, Bortolotti ha evidenziato perché questa tecnologia sarebbe particolarmente promettente in questo campo:

• Sensibilità elevata – Molte malattie rare sono caratterizzate da biomarcatori presenti a concentrazioni molto basse. La capacità di rilevare concentrazioni nell’ordine dei femtomolari è cruciale.
• Versatilità dimensionale – Le malattie rare possono avere come biomarcatori piccole molecole metaboliche, proteine, complessi proteici, o vescicole. La capacità di adattare la piattaforma a target di dimensioni molto diverse è un vantaggio significativo.
• Specificità – Nelle malattie rare, dove i biomarcatori possono essere simili a molecole presenti normalmente ma con piccole differenze, la specificità del riconoscimento è essenziale. Gli elementi di bioriconoscimento (anticorpi, aptameri) possono essere selezionati per discriminare anche differenze molecolari sottili.
• Rapidità – A differenza di alcune tecniche di laboratorio che richiedono ore o giorni, i biosensori elettronici possono fornire risultati in tempi molto più brevi, potenzialmente importanti per decisioni cliniche urgenti.
• Miniaturizzazione – I dispositivi bioelettronici organici possono essere miniaturizzati, aprendo la strada a dispositivi point-of-care o anche indossabili per il monitoraggio continuo di alcuni parametri.

Applicazioni oltre la diagnosi
Oltre all’applicazione diagnostica diretta, Bortolotti ha menzionato altre possibili utilizzazioni di questi biosensori:
Studio dell’affinità di legame – Misurare quanto fortemente un farmaco si lega al suo target, o quanto fortemente un anticorpo riconosce il suo antigene. Queste informazioni sono preziose nello sviluppo di nuovi farmaci.
Screening di farmaci – Testare rapidamente molti composti per identificare quelli che si legano a un target terapeutico di interesse.
Monitoraggio terapeutico – Seguire nel tempo le concentrazioni di farmaci o di biomarcatori in pazienti trattati, per ottimizzare i dosaggi o identificare precocemente problemi.

Tutte queste applicazioni sono rilevanti nel contesto delle malattie rare, dove lo sviluppo di nuovi farmaci è particolarmente difficile a causa del piccolo numero di pazienti, e dove il monitoraggio terapeutico personalizzato è essenziale data l’eterogeneità delle manifestazioni cliniche.

Collaborazioni e il ruolo di HEAL ITALIA
L’intervento si è concluso con ringraziamenti ai collaboratori, in particolare al Dott. Marcello Berto che ha eseguito gran parte degli esperimenti, e al team del Prof. Dominici per la collaborazione sulle vescicole extracellulari.
Un ringraziamento specifico è andato “al progetto HEAL ITALIA, che ci ha dato la possibilità di esplorare anche applicazioni in ambito di malattie rare”. Questo evidenzia come HEAL ITALIA non sia solo un’infrastruttura per ricerche già programmate, ma anche un catalizzatore per nuove collaborazioni e per l’esplorazione di applicazioni innovative di tecnologie esistenti.
Il progetto di HEAL ITALIA sulle vescicole extracellulari ha permesso al gruppo di Bortolotti di applicare i propri biosensori a un target biologico complesso e clinicamente rilevante, aprendo potenzialmente nuove direzioni di ricerca. È un esempio concreto di come le collaborazioni interdisciplinari facilitate da grandi programmi come HEAL ITALIA possano generare innovazione.

Verso biosensori per le malattie rare
L’intervento del Prof. Bortolotti ha mostrato come tecnologie sviluppate inizialmente per altri scopi possano avere applicazioni preziose nel campo delle malattie rare. I biosensori bioelettronici organici, con la loro combinazione di sensibilità, specificità, versatilità e potenziale di miniaturizzazione, rappresentano uno strumento promettente per affrontare alcune delle sfide diagnostiche poste da queste patologie.
La diagnosi precoce è cruciale nelle malattie rare, dove spesso il ritardo diagnostico porta a danni irreversibili. Avere dispositivi capaci di rilevare biomarcatori specifici a concentrazioni molto basse, potenzialmente in setting point-of-care, potrebbe accelerare significativamente i percorsi diagnostici.
Il monitoraggio terapeutico è altrettanto importante: molti trattamenti per malattie rare richiedono aggiustamenti personalizzati dei dosaggi, e la possibilità di misurare rapidamente e frequentemente i livelli di farmaci o di biomarcatori di risposta terapeutica sarebbe di grande utilità clinica.
Come ha dimostrato l’esempio degli anticorpi anti-farmaco, i biosensori potrebbero anche identificare precocemente problemi come lo sviluppo di immunogenicità contro farmaci biologici, permettendo interventi tempestivi.
L’integrazione di queste tecnologie nei Centri di Medicina di Precisione HEAL ITALIA, con le loro biobanche, competenze cliniche specialistiche e infrastrutture di ricerca, potrebbe accelerare significativamente lo sviluppo e la validazione di biosensori specifici per diverse malattie rare, traducendo il potenziale tecnologico in benefici concreti per i pazienti.