Nuove pubblicazioni dei partners del progetto FLAMIN-GO

Davide Raineri, Hugo Abreu, Beatrice Vilardo, Natasa Kustrimovic, Chiara Venegoni, Giuseppe Cappellano, and Annalisa Chiocchetti. Deep Flow Cytometry Unveils Distinct Immune Cell Subsets in Inducible T Cell Co-Stimulator Ligand (ICOSL)- and ICOS-Knockout Mice during Experimental Autoimmune Encephalomyelitis
Int J Mol Sci. 2024 Mar; 25(5): 2509. doi: doi.org/10.3390/ijms25052509

In questo articolo è stato studiato il ruolo del sistema ICOS/ICOSL nell’ encefalomielite autoimmune sperimentale (EAS) che è il modello animale della sclerosi multipla. I ricercatori hanno utilizzato dei topi deficienti per le molecole ICOS o ICOSL che svolgono un ruolo chiave nella regolazione della risposta immunitaria, per studiare il loro impatto sulla progressione dell’EAS. Entrambi i topi deficienti hanno sviluppato una malattia più grave e hanno mostrato un’ alterata risposta immunitaria nei linfociti della memoria ed in quelli regolatori rispetto ai topi normali, che possedevano entrambe le molecole. Inoltre, nei topi deficienti per ICOSL sono emerse nuove alterazioni in alcune popolazioni del sistema immunitario, suggerendo che altri molecole possono essere coinvolte nel sistema ICOS/ICOSL e cosi influenzare il decorso della malattia. Questi risultati promettenti pongono anche le basi per studiare ruolo di ICOS/ICOSL in altre malattie autoimmuni.

In this article, the role of the ICOS/ICOSL system was investigated in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), the animal model of multiple sclerosis. Researchers used mice deficient in either the ICOS or ICOSL molecules, which play a key role in regulating the immune response, to study their impact on EAE progression. Both types of deficient mice developed a more severe form of the disease and showed an altered immune response in memory and regulatory lymphocytes compared to normal mice, which expressed both molecules. Furthermore, in ICOSL-deficient mice, additional alterations were observed in certain immune cell populations, suggesting that other molecules may be involved in the ICOS/ICOSL system and may influence disease progression. These promising results also provide a basis for investigating the role of ICOS/ICOSL in other autoimmune diseases.

Stolfi F, Abreu H, Sinella R, Nembrini S, Centonze S, Landra V, Brasso C, Cappellano G, Rocca P and Chiocchetti A Omics approaches open new horizons in major depressive disorder: from biomarkers to precision medicine. Front. Psychiatry 15:1422939. doi: doi.org/10.3389/fpsyt.2024.1422939

Il disturbo depressivo maggiore (DDM) è un disturbo dell’umore episodico ricorrente che rappresenta la terza causa principale di disabilità a livello mondiale. Diversi fattori possono contribuire simultaneamente al suo sviluppo, complicandone cosi la diagnosi. Gli antidepressivi rappresentano il trattamento di prima linea per gli episodi depressivi maggiori da moderati a gravi. Tuttavia, non sempre i pazienti rispondono a questi farmaci e alcuni sviluppano una forma di “depressione resistente alla terapia”. Ciò è legato al fatto che esiste un ‘elevata variabilità biologica/genetica e clinica tra i pazienti. Inoltre, ad oggi non ci sono biomarcatori specifici per la diagnosi del DDM  e non sono  stati identificati dei bersagli terapeutici specifici, contribuendo  in tal modo agli alti tassi di insuccesso delle diverse terapie. In questo contesto, la medicina di precisione o personalizzata può rappresentare un importante aiuto per il medico nell’ assegnare il trattamento più adeguato ed efficace per ogni paziente riducendone al contempo gli effetti collaterali, basandosi sullo studio delle caratteristiche (biologiche e genetiche) individuali dei pazienti e della loro interazione con i fattori ambientali (stress, fumo, dieta etc) che concorrono nello sviluppo del DDM. Questo è reso possibile  oggi grazie allo sviluppo delle scienze omiche che sono discipline scientifiche che studiano vari livelli di informazioni biologiche in modo integrato. Queste scienze possono rivelare le complesse interazioni tra predisposizioni genetiche ed esposizione a fattori ambientali attraverso lo studio nelle nostre cellule di tutti i trascritti (trascrittomica), delle proteine (proteomica) e cosi via per poter identificare un profilo unico molecolare di ciascun paziente con DDM e capire così quale sarà il suo farmaco giusto.

 Major depressive disorder (MDD) is a recurrent episodic mood disorder and represents the third leading cause of disability worldwide. Several factors can simultaneously contribute to its development, making diagnosis more complex. Antidepressants are the first-line treatment for moderate to severe major depressive episodes. However, not all patients respond to these medications, and some develop a form of “treatment-resistant depression.” This is partly due to the high biological/genetic and clinical variability among patients. Moreover, to date, there are no specific biomarkers for the diagnosis of MDD, and no specific therapeutic targets have been clearly identified, contributing to the high failure rates of available treatments.In this context, precision or personalized medicine may provide important support to clinicians in selecting the most appropriate and effective treatment for each patient while also reducing side effects. This approach is based on studying individual biological and genetic characteristics and their interaction with environmental factors (such as stress, smoking, diet, etc.) that contribute to the development of MDD.This is now possible thanks to the development of omics sciences, which are scientific disciplines that analyze different levels of biological information in an integrated manner. These approaches can reveal the complex interactions between genetic predisposition and environmental exposure by studying all transcripts in our cells (transcriptomics), proteins (proteomics), and other molecular layers. In this way, it becomes possible to identify a unique molecular profile for each patient with MDD and determine the most suitable treatment for them.

Mazzucca CB, Scotti L, Raineri D, Cappellano G, Chiocchetti A. Design and Validation of MEDOC, a Tool to Assess the Combined Adherence to Mediterranean and Western Dietary Patterns. Nutrients. 2024; 16(11):1745. doi.org/10.3390/nu16111745

La dieta mediterranea e quella occidentale rappresentano i due modelli alimentari estremamente differenti sia per i tipi di alimenti che per le abitudini alimentari e gli effetti sulla salute. Esistono diversi strumenti epidemiologici per stimare l’adesione alla dieta mediterranea, ma mancano quelli che valutano l’adesione ad entrambe. In questo studio è stato sviluppato  e validato lo strumento “MEDOC” che è un questionario di frequenza alimentare progettato per calcolare un punteggio combinato di adesione a entrambe le diete.

The Mediterranean diet and the Western diet represent two extremely different dietary patterns, both in terms of food types, eating habits, and their effects on health. Several epidemiological tools are available to estimate adherence to the Mediterranean diet; however, there are no tools that assess adherence to both dietary patterns simultaneously.

In this study, the “MEDOC” tool was developed and validated. It is a food frequency questionnaire designed to calculate a combined score of adherence to both the Mediterranean and the Western diets.

Barbero Mazzucca C, Scotti L, Comi C, Vecchio D, Chiocchetti A, Cappellano G. The Role of Diet in Multiple Sclerosis Onset: A Prospective Study Using UK Biobank. Nutrients. 2024; 16(11):1746. doi.org/10.3390/nu16111746

La sclerosi multipla (SM) è una malattia autoimmune debilitante che colpisce principalmente i giovani ed il suo aumento è evidente a livello globale. Sia i fattori genetici che quelli ambientali (tra cui l’alimentazione) contribuiscono alla suscettibilità di sviluppare la SM. Tuttavia, il legame tra la dieta e SM manca di evidenze solide, perché basato su risultati derivati da pochi studi su larga scala. In questo lavoro, i ricercatori hanno analizzati i dati raccolti dalla UK Biobank  che è una vasta risorsa di ricerca che contiene dati sanitari dettagliati di oltre 500.000 partecipanti nel Regno Unito. Questa biobanca è un’importante risorsa per esplorare il nesso tra dieta, stile di vita e rischio di sviluppare diverse malattie, inclusa la SM. In questo studio, i ricercatori hanno confrontato le abitudini alimentari e gli stili di vita dei casi incidenti di SM in follow-up con quelle di soggetti che non hanno sviluppato la malattia, raccogliendo le informazioni derivate da un questionario di frequenza alimentare (FFQ) generale completato da tutti i partecipanti al momento dell’arruolamento nello studio.

Multiple sclerosis (MS) is a debilitating autoimmune disease that primarily affects young people, and its prevalence is increasing globally. Both genetic and environmental factors — including diet — contribute to susceptibility to developing MS. However, the link between diet and MS still lacks strong evidence, as it is based on findings from relatively few large-scale studies.

In this work, researchers analyzed data collected from the UK Biobank, a large research resource containing detailed health information from over 500,000 participants in the United Kingdom. This biobank represents an important resource for exploring the relationship between diet, lifestyle, and the risk of developing various diseases, including MS.

In the study, researchers compared the dietary habits and lifestyles of individuals who developed incident MS during follow-up with those of participants who did not develop the disease. The information was derived from a general food frequency questionnaire (FFQ) completed by all participants at the time of enrollment in the study.

Abreu H, Lallukka M, Miola M, Spriano S, Vernè E, Raineri D, Leigheb M, Ronga M, Cappellano G, Chiocchetti A. Human T-Cell Responses to Metallic Ion-Doped Bioactive Glasses. International Journal of Molecular Sciences. 2024; 25(8):4501. doi.org/10.3390/ijms25084501

L’immunocompatibilità dei biomateriali è una proprietà critica che determina il successo dell’integrazione di un materiale sintetico o naturale all’interno del corpo umano. Questa proprietà è fondamentale per garantire che il materiale non provochi una risposta immunitaria avversa che potrebbe compromettere la sua funzione o causare danni anche ai tessuti circostanti. In questo studio i ricercatori hanno sviluppato dei biomateriali vetrosi modificandoli aggiungendo sulla loro superficie degli ioni metallici che hanno proprietà antimicrobiche. I ricercatori hanno dimostrato che questi ioni presenti sulla superficie dei biomateriali vetrosi non creano risposte immunitarie avverse e sono immunobiocompatibili.

Vilardo, B.; De Marchi, F.; Raineri, D.; Manfredi, M.; De Giorgis, V.; Bebeti, A.; Scotti, L.; Kustrimovic, N.; Cappellano, G.; Mazzini, L.; et al. Shotgun Proteomics Links Proteoglycan-4⁺ Extracellular Vesicles to Cognitive Protection in Amyotrophic Lateral Sclerosis. Biomolecules 2024, 14, 727. doi.org/10.3390/biom14060727

La sclerosi laterale amiotrofica (SLA) è un disturbo neurodegenerativo progressivo che manca di biomarcatori noti per una diagnosi precoce ed il monitoraggio della progressione della malattia. I ricercatori hanno identificato un nuovo biomarcatore nelle vescicole extracellulari (VE) che si chiama proteoglicano-4 (PRG-4) o lubricina per la SLA. In particoalre, viene sottolineato  che la lubricina è diminuita nei  pazienti con SLA con funzione cognitiva compromessa. Questo studio evidenzia l’importanza delle VE come una promettente via per la scoperta di potenziali nuovi biomarcatori nella SLA. Inoltre, mette in luce il ruolo inatteso del PRG-4 in relazione allo stato cognitivo nei pazienti con SLA.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neurodegenerative disorder that currently lacks reliable biomarkers for early diagnosis and for monitoring disease progression. In this study, researchers identified a new potential biomarker for ALS within extracellular vesicles (EVs): proteoglycan-4 (PRG-4), also known as lubricin. In particular, the study highlights that lubricin levels are reduced in ALS patients with impaired cognitive function. These findings emphasize the importance of extracellular vesicles as a promising source for the discovery of novel biomarkers in ALS. Moreover, the study sheds light on the unexpected role of PRG-4 in relation to cognitive status in patients with ALS, suggesting a potential link between this molecule and neurocognitive impairment in the disease.

De Vitis E, Stanzione A, Romano A, Quattrini A, Gigli G, Moroni L, Gervaso F, Polini A. The Evolution of Technology-Driven In Vitro Models for Neurodegenerative Diseases. Adv Sci (Weinh). 2024 Apr;11(16):e2304989. doi: 10.1002/advs.202304989.

L ‘alterazione dei circuiti neurali sia del sistema nervoso centrale che periferico è strettamente correlata all’insorgenza dei disturbi neurodegenerativi (NDD). Nonostante i significativi sforzi di ricerca, le conoscenze sui processi patologici dei NDD e lo sviluppo di farmaci efficaci sono ancora limitati a causa dell’impossibilità di accedere e riprodurre i componenti del sistema nervoso e il suo complesso microambiente. I sistemi di coltura 2D sono troppo semplicistici per rappresentare accuratamente la situazione più complessa e dinamica delle cellule in vivo e sono stati pertanto superati dai sistemi 3D. Tuttavia, entrambi i modelli presentano varie limitazioni che possono essere superate attraverso l’impiego di due tecnologie innovative: gli organi su chip e la stampa 3D. In questa revisione della letteratura sono descritti i vantaggi e le limitazioni. Infine, viene esplorata la combinazione della microfluidica e degli idrogeli come nuovo approccio sinergico per studiare i disturbi neurologici, analizzando i più recenti progressi nei modelli 3D di cervello su chip per la ricerca sulle malattie neurodegenerative.

Alterations in neural circuits of both the central and peripheral nervous systems are closely associated with the onset of neurodegenerative disorders (NDDs). Despite significant research efforts, knowledge of the pathological mechanisms underlying NDDs and the development of effective therapies remain limited. This is largely due to the difficulty in accessing and accurately reproducing the components of the nervous system and its complex microenvironment. Traditional two-dimensional (2D) culture systems are overly simplistic and fail to replicate the complex and dynamic in vivo cellular environment. For this reason, they have been progressively replaced by three-dimensional (3D) culture systems. However, both 2D and 3D models still present several limitations. These challenges can be addressed through the use of two innovative technologies: organ-on-chip platforms and 3D bioprinting. This literature review describes the advantages and limitations of these approaches. Finally, it explores the combination of microfluidics and hydrogels as a novel synergistic strategy to study neurological disorders, analyzing the most recent advances in 3D brain-on-chip models for neurodegenerative disease research.

 Bisconti , B. Vilardo , G. Corallo , F. Scalera , G. Gigli , A. Chiocchetti , A. Polini and F. Gervaso. An Assist for Arthritis Studies: A 3D Cell Culture of Human Fibroblast-Like Synoviocytes by Encapsulation in a Chitosan-Based Hydrogel. Adv. Ther., 2024, 10.1002/adtp.202400166.

L’Osteoartrite e l’Artrite Reumatoide (RA) sono le forme più comuni di artrite che coinvolgono la sinovia in cui i fibroblasti (FLS) svolgono un ruolo chiave nella RA, una malattia autoimmune caratterizzata da infiammazione articolare e sintomi sistemici, che colpisce l’1% della popolazione mondiale. Sebbene il danno articolare inizi dalla sinovia e prosegua coinvolgendo la cartilagine fino all’erosione ossea, numerosi modelli in vitro 3D sono stati sviluppati per la cartilagine e l’osso, mentre solo pochi studi si sono concentrati sulla componente sinoviale. In questo studio è stata sviluppata una formulazione di idrogelo adatta per coltivare in 3D i fibroblasti umani. Questo studio ha mostrato che tra le diverse formulazioni testate, un idrogelo a base di chitosano ha dato migliori risultati in termini di stabilità, crescita cellulare e morfologia.

Osteoarthritis (OA) and Rheumatoid Arthritis (RA) are the most common forms of arthritis involving the synovium. In RA, synovial fibroblasts (FLS) play a key role in disease progression. RA is an autoimmune disorder characterized by chronic joint inflammation and systemic symptoms, affecting approximately 1% of the global population. Although joint damage begins in the synovium and progressively involves cartilage, eventually leading to bone erosion, many in vitro 3D models have been developed to study cartilage and bone, while relatively few studies have focused on the synovial component. In this study, a hydrogel formulation suitable for 3D culture of human fibroblasts was developed. Among the different formulations tested, a chitosan-based hydrogel demonstrated the best performance in terms of stability, cell growth, and cellular morphology.

Antonella Stanzione, Alessandro Polini, Francesca Scalera, Giuseppe Gigli, Lorenzo Moroni, Francesca Gervaso. Photo/thermo-sensitive chitosan and gelatin-based interpenetrating polymer network for mimicking muscle tissue extracellular matrix. Heliyon. Volume 10, Issue 21,2024,e39820,ISSN 2405-8440, https:/doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e39820.

L’interazione dinamica tra la matrice extracellulare (ECM), la sua architettura tridimensionale e le cellule residenti gioca un ruolo cruciale nel comportamento cellulare, influenzando processi essenziali come la proliferazione, la migrazione e la differenziazione. In questo studio, è stata progettato un analogo alla matrice extracellualre  una rete IPN composta da chitosano (Ch) e gelatina modificata (GelMA), per mimare l’ECM del tessuto muscolare in termini di rigidità meccanica. Il sistema è stato caratterizzato in modo approfondito, dimostrando di supportare non solo la crescita e la vitalità delle cellule muscolari inglobate nell’idrogelo, ma anche la loro differenziazione verso un fenotipo muscolare.

The dynamic interaction between the extracellular matrix (ECM), its three-dimensional architecture, and resident cells plays a crucial role in regulating cellular behavior, influencing essential processes such as proliferation, migration, and differentiation. In this study, an extracellular matrix analogue was designed: an interpenetrating polymer network (IPN) composed of chitosan (Ch) and modified gelatin (GelMA), developed to mimic the mechanical stiffness of muscle tissue ECM. The system was thoroughly characterized and demonstrated the ability to support not only the growth and viability of muscle cells embedded within the hydrogel, but also their differentiation toward a muscle phenotype.

Bucciarelli A, Selicato N, Coricciati C, Rainer A, Capodilupo AL, Gigli G, Moroni L, Polini A, Gervaso F. Modelling methacrylated chitosan hydrogel properties through an experimental design approach: from composition to material properties. J Mater Chem B. 2024 Oct 17;12(40):10221-10240. doi: 10.1039/d4tb00670d.

Gli idrogeli, materiali morbidi e simili a gel, realizzati con biopolimeri naturali stanno gradualmente sostituendo quelli sintetici nell’ingegneria dei tessuti, ovvero il campo che cerca di ricostruire o imitare tessuti umani. Questo perché i biopolimeri sono più compatibili con il corpo umano. Tuttavia, standardizzare questi materiali è una sfida, poiché la loro qualità può variare e i legami chimici che li tengono insieme non sempre sono stabili. In questo studio, è stato sviluppata una versione modificata di un biopolimero chiamato chitosano, aggiungendo dei gruppi chimici speciali (metacrilati) che permettono di formare idrogel solidi quando esposti a luce UV. Questo permette di produrre idrogeli in modo più controllato. Questa capacità di “personalizzare” la rigidità rende questi idrogel promettenti per molte applicazioni, come la creazione di supporti che imitano i tessuti biologici, con potenziali usi nella medicina rigenerativa.

Hydrogels are soft, gel-like materials made from natural biopolymers that are gradually replacing synthetic ones in tissue engineering — the field aimed at reconstructing or mimicking human tissues. This shift is largely due to the greater biocompatibility of natural biopolymers with the human body. However, standardizing these materials remains a challenge, as their quality may vary and the chemical bonds that hold them together are not always stable. In this study, a modified version of the biopolymer chitosan was developed by introducing special chemical groups (methacrylates). These groups allow the material to form stable hydrogels when exposed to UV light, enabling a more controlled production process. This ability to “tune” or customize the mechanical stiffness of the hydrogels makes them highly promising for various applications, such as creating scaffolds that mimic biological tissues, with potential uses in regenerative medicine.

Vecstaudža, J., Egle, K., Indurkar, A., Ločs, J. Micro-Computed Tomography Imaging of Acellular or Cellular Hydrogels and Organ-on-a-Chip Platforms. In: 64th International Scientific Conference of Riga Technical University “Materials Science and Applied Chemistry”: Program and Abstracts, Latvia, Riga, 6-6 October, 2023. Riga: 2023, pp.55-55.

Gli organi su chip sono dispositivi miniaturizzati che simulano il funzionamento di organi umani, un’innovazione che permette di studiare tessuti e malattie in modo realistico. Per ricreare i tessuti, spesso si usano materiali chiamati idrogeli, che mimano la struttura e la consistenza del corpo umano. Tuttavia, uno dei problemi principali è che gli idrogeli non si vedono bene quando vengono analizzati con tecniche come la micro-tomografia computerizzata (micro-CT), uno strumento che utilizza raggi X per ottenere immagini tridimensionali. Per risolvere questo problema, i ricercatori studio hanno sviluppato sostanze coloranti che migliorassero la visibilità degli idrogeli. nei raggi X.

Organs-on-chip are miniaturized devices that simulate the function of human organs, representing an innovative approach to studying tissues and diseases in a realistic and controlled way. To recreate biological tissues within these systems, materials called hydrogels are often used, as they mimic the structure and mechanical properties of human tissues. However, one major limitation is that hydrogels are poorly visible when analyzed using techniques such as micro-computed tomography (micro-CT), an imaging tool that uses X-rays to generate three-dimensional images. Due to their high water content and low X-ray attenuation, hydrogels provide low contrast in micro-CT scans. To overcome this issue, the researchers in this study developed contrast agents (staining compounds) designed to enhance the visibility of hydrogels under X-ray imaging. This improvement enables more accurate structural analysis of hydrogel-based tissues within organ-on-chip platforms.

Raineri, D., De Marchi, F., Vilardo, B., Barbero Mazzucca, C., Scotti, L., Kustrimovic, N., … & Chiocchetti, A. (2024). Circulating GLAST+ EVs are increased in amyotrophic lateral sclerosis. Frontiers in Molecular Biosciences, 11, 1507498. doi: 10.3389/fmolb.2024.1507498. 

La sclerosi laterale amiotrofica (SLA) è una malattia neurodegenerativa che causa la progressiva perdita dei motoneuroni, portando a debolezza muscolare e paralisi. Le cause non sono ancora del tutto note, e per questo è importante individuare biomarcatori affidabili per una diagnosi precoce e per seguire l’evoluzione della malattia. Le vescicole extracellulari (VE), piccole particelle rilasciate da tutte le cellule e presenti anche nel sangue, rappresentano una nuova opportunità di studio. In particolare, le EV che contengono la proteina GLAST, coinvolta nella regolazione del glutammato (una sostanza che in eccesso danneggia i neuroni), sono risultate aumentate nei pazienti con SLA. Questo risultato suggerisce che le VE GLAST+ potrebbero diventare un biomarcatore utile per la diagnosi e lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche contro la SLA.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease characterized by the progressive loss of motor neurons, leading to muscle weakness and paralysis. Since its exact causes are still not fully understood, identifying reliable biomarkers is essential for early diagnosis and for monitoring disease progression. Extracellular vesicles (EVs), small particles released by all cells and detectable in the bloodstream, represent a promising new area of research. In particular, EVs containing the protein GLAST — which is involved in regulating glutamate levels (a neurotransmitter that can damage neurons when present in excess) — were found to be increased in patients with ALS. These findings suggest that GLAST-positive EVs could serve as a useful biomarker for ALS diagnosis and may also contribute to the development of new therapeutic strategies for the disease.

Abreu, H., Lallukka, M., Raineri, D., Leigheb, M., Ronga, M., Cappellano, G., … & Chiocchetti, A. (2024). Evaluation of the immune response of peripheral blood mononuclear cells cultured on Ti6Al4V-ELI polished or etched surfaces. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 12, 1458091. doi: 10.3389/fbioe.2024.1458091.

Gli impianti ortopedici in titanio sono molto utilizzati per la loro biocompatibilità e resistenza alla corrosione, ma le superfici troppo lisce possono ostacolare una buona integrazione con l’osso e i tessuti. Questo studio ha testato un nuovo trattamento chimico della superficie del titanio, in grado di favorire l’adesione cellulare e ridurre l’infiammazione senza alterare le proprietà meccaniche del materiale. Il trattamento, che combina acido fluoridrico e perossido di idrogeno, crea una superficie con micro e nano-strutture che stimolano la crescita ossea e l’interazione con biomolecole. I risultati mostrano che le cellule restano vitali e che il titanio trattato provoca una risposta immunitaria più equilibrata rispetto al materiale non trattato. In conclusione, questa tecnica può rendere gli impianti in titanio più compatibili e sicuri, migliorando la loro integrazione nel corpo umano.

Stolfi, F., Brasso, C., Raineri, D., Landra, V., Mazzucca, C. B., Ghazanfar, A., … & Chiocchetti, A. (2025). Deep immunophenotyping of circulating immune cells in major depressive disorder patients reveals immune correlates of clinical course and treatment response. Brain, Behavior, & Immunity-Health, 43, 100942. doi: 10.1016/j.bbih.2024.100942.

La depressione maggiore è una malattia molto diffusa che può compromettere in modo profondo la vita quotidiana, le relazioni e il lavoro delle persone. Nonostante sia una delle principali cause di disabilità nel mondo, la diagnosi si basa ancora solo sull’osservazione dei sintomi clinici, perché non esistono ancora test biologici affidabili che aiutino a riconoscerla o a prevedere come un paziente risponderà alle cure. In questo studio, i ricercatori hanno analizzato il sangue di 60 persone con depressione, per capire se alcune cellule del sistema immunitario potessero essere collegate alla gravità dei sintomi o all’efficacia dei trattamenti. I risultati hanno mostrato che alcune cellule immunitarie aumentano nei pazienti con sintomi più gravi, come la perdita di piacere (anedonia) e la disperazione, mentre altre sembrano avere un effetto protettivo, riducendo ad esempio i pensieri suicidari. Queste osservazioni indicano che il sistema immunitario gioca un ruolo importante nella depressione e che, in futuro, la misurazione di particolari “firme immunologiche” potrebbe aiutare i medici a personalizzare le terapie, rendendole più efficaci per ciascun paziente.

Major depressive disorder (MDD) is a highly prevalent condition that can profoundly affect daily life, relationships, and work performance. Although it is one of the leading causes of disability worldwide, its diagnosis is still based solely on the observation of clinical symptoms, as there are no reliable biological tests to identify it or to predict how a patient will respond to treatment. In this study, researchers analyzed blood samples from 60 individuals with depression to investigate whether specific immune system cells were associated with symptom severity or treatment response. The results showed that certain immune cell populations were increased in patients with more severe symptoms, such as anhedonia (loss of pleasure) and feelings of hopelessness. In contrast, other immune cells appeared to have a protective role, for example by being associated with reduced suicidal thoughts. These findings suggest that the immune system plays an important role in depression. In the future, measuring specific “immune signatures” could help clinicians personalize treatments, making them more effective for each individual patient.

Dell’Atti F, Abreu H, Malfa P, Raineri D, Cappellano G and Chiocchetti A (2025) Probiotic-derived extracellular vesicles: the next breakthrough in postbiotics for rheumatoid arthritis. Front. Immunol. 16:1620185. doi: 10.3389/fimmu.2025.1620185.

L’artrite reumatoide (AR) è una malattia autoimmune cronica che causa infiammazione e danni alle articolazioni. Recenti studi mostrano che uno squilibrio del microbiota intestinale e orale può favorire la malattia. I probiotici e i loro derivati, chiamati postbiotici, potrebbero aiutare a controllare l’infiammazione. In particolare, le vescicole extracellulari prodotte dai probiotici trasportano molecole in grado di modulare il sistema immunitario e ridurre l’infiammazione, offrendo nuove prospettive terapeutiche per l’AR. Tuttavia, servono ulteriori studi per garantirne sicurezza ed efficacia clinica.

Rheumatoid Arthritis (RA) is a chronic autoimmune disorder that causes inflammation and progressive joint damage. Recent studies suggest that an imbalance in the gut and oral microbiota (dysbiosis) may contribute to the onset and progression of the disease. This microbial imbalance can influence the immune system, promoting chronic inflammation. Probiotics — beneficial microorganisms — and their derivatives, known as postbiotics, may help regulate inflammation. In particular, extracellular vesicles produced by probiotics carry bioactive molecules capable of modulating immune responses and reducing inflammatory processes. These findings open new therapeutic perspectives for RA, highlighting the potential of microbiota-based strategies. However, further research is needed to ensure their safety and confirm their clinical effectiveness before routine therapeutic use.

Nguyen TD, Abreu H, Tommasi N, Azzarone L, Di Martino RMC, Riva B, Raineri D, Pirali T, Chiocchetti A, Cappellano G. Calcium signaling dysregulation in rheumatoid arthritis: a comparative perspective with osteoarthritis. Autoimmun Rev. 2025 Aug 28;24(12):103923. doi: 10.1016/j.autrev.2025.103923.

L’artrite reumatoide e l’osteoartrite sono tra le malattie croniche più diffuse al mondo e rappresentano un grave peso sia per i pazienti sia per i sistemi sanitari. Anche se hanno cause e meccanismi diversi, recenti studi mostrano che il calcio svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo di entrambe le patologie, influenzando numerosi processi cellulari all’interno dei tessuti articolari. Il calcio è infatti indispensabile per molte funzioni vitali delle cellule, come la crescita, la comunicazione, la contrazione muscolare, la trasmissione nervosa e la formazione del tessuto osseo e cartilagineo. Quando l’equilibrio del calcio viene alterato, questi processi si modificano, contribuendo ai danni articolari tipici delle malattie artritiche. Comprendere meglio come il calcio viene assorbito, rilasciato e regolato nelle cellule delle articolazioni potrà aiutare i ricercatori a chiarire i meccanismi alla base della malattia e a sviluppare nuove terapie mirate. Questa review analizza i principali meccanismi di segnalazione del calcio e le più recenti strategie terapeutiche che ne modulano il metabolismo, offrendo nuove possibilità per migliorare i trattamenti di artrite reumatoide e osteoartrite.

Rheumatoid Arthritis and Osteoarthritis are among the most widespread chronic diseases worldwide, representing a major burden for both patients and healthcare systems. Although they differ in causes and underlying mechanisms, recent studies indicate that calcium plays a fundamental role in the development of both conditions by influencing numerous cellular processes within joint tissues. Calcium is essential for many vital cellular functions, including cell growth, communication, muscle contraction, nerve transmission, and the formation of bone and cartilage tissue. When calcium homeostasis is disrupted, these processes become altered, contributing to the joint damage characteristic of arthritic diseases. A deeper understanding of how calcium is absorbed, released, and regulated in joint cells may help researchers clarify disease mechanisms and develop new targeted therapies. This review analyzes the main calcium signaling pathways and the most recent therapeutic strategies aimed at modulating calcium metabolism, offering new perspectives for improving the treatment of rheumatoid arthritis and osteoarthritis.

Sun, J., Wu, J., Wu, S. et al. Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope. Light Sci Appl 11, 204 (2022). https://doi.org/10.1038/.

L’imaging a fase quantitativa (QPI) è una tecnica ottica che permette di ottenere informazioni morfologiche e biofisiche dalle cellule e dai tessuti senza l’uso di coloranti o marcatori. Tuttavia, l’applicazione di questa potente metodologia alla diagnosi patologica in vivo è ancora complessa. Le fibre ottiche a più nuclei (MCF, multi-core fiber) consentono di realizzare sonde estremamente sottili per l’imaging in vivo, ma finora le tecniche basate su queste fibre si sono limitate a produrre solo immagini di intensità (amplitude imaging), senza informazioni di fase. In questo studio è stato sviluppato un microendoscopio computazionale senza lenti che utilizza una fibra MCF ultra-sottile per eseguire l’imaging a fase quantitativa, con risoluzione microscopica laterale e sensibilità nanometrica lungo l’asse ottico. Il sistema ricostruisce con precisione il campo luminoso complesso dalla figura di interferenza (speckle) registrata all’estremità della fibra, consentendo di mettere a fuoco digitalmente diversi piani di un campione tridimensionale senza muovere meccanicamente la sonda. La precisione della ricostruzione della fase è stata validata utilizzando bersagli di riferimento e microsfere di idrogel. Infine, la tecnica è stata applicata con successo all’imaging tridimensionale di cellule tumorali umane attraverso la fibra ultra-sottile, aprendo la strada a nuove applicazioni cliniche per la diagnosi ottica mini-invasiva.

Quantitative phase imaging (QPI) is an optical technique that provides morphological and biophysical information from cells and tissues without the need for dyes or labels. Despite its strong potential, applying QPI to in vivo pathological diagnosis remains technically challenging. Multi-core optical fibers (MCFs) enable the development of ultra-thin probes for in vivo imaging. However, until now, MCF-based techniques have been limited to intensity (amplitude) imaging, without retrieving phase information. In this study, researchers developed a lensless computational microendoscope based on an ultra-thin MCF capable of performing quantitative phase imaging with microscopic lateral resolution and nanometric axial sensitivity. The system accurately reconstructs the complex optical field from the interference (speckle) pattern recorded at the distal end of the fiber. This approach enables digital refocusing at different depths within a three-dimensional sample without mechanically moving the probe. Phase reconstruction accuracy was validated using calibration targets and hydrogel microspheres. Finally, the technique was successfully applied to three-dimensional imaging of human cancer cells through the ultra-thin fiber, paving the way for new clinical applications in minimally invasive optical diagnosis.

Ruchi Goswami, Kyoohyun Kim, Aldo R. Boccaccini, Jochen Guck, Salvatore Girardo. Fine-tuning cell-mimicking polyacrylamide microgels: Sensitivity to microscale reaction conditions in droplet microfluidics. BioRxis doi: https://doi.org/10.1101/2025.07.24.666603

Attraverso la microfluidica a goccia è possibile creare minuscole particelle di idrogel di poliacrilammide (PAAm), dette microgel, che imitano le proprietà fisiche delle cellule. Questi materiali sono utili per studiare come le cellule reagiscono alle forze meccaniche. Lo studio mostra che le condizioni di flusso durante la produzione influenzano fortemente la dimensione e l’elasticità dei microgel, anche quando la composizione chimica è identica. Abbiamo scoperto che il trasporto del catalizzatore tra le fasi di acqua e olio modifica l’efficienza della reazione e la struttura del gel. Questi risultati evidenziano quanto sia importante controllare con precisione i parametri microfluidici per ottenere microgel con proprietà riproducibili, aprendo nuove prospettive nella ricerca biofisica e nella medicina rigenerativa.

Through droplet microfluidics, it is possible to generate tiny polyacrylamide (PAAm) hydrogel particles, known as microgels, which mimic the physical properties of cells. These materials are particularly useful for studying how cells respond to mechanical forces. The study shows that flow conditions during production strongly influence the size and elasticity of the microgels, even when their chemical composition remains identical. The researchers found that the transport of the catalyst between the water and oil phases affects the reaction efficiency and the internal structure of the gel. These findings highlight the importance of precisely controlling microfluidic parameters to obtain microgels with reproducible mechanical properties. This work opens new perspectives in biophysical research and regenerative medicine, where reliable cell-mimicking materials are essential.

Peralta M, Dupas A, Larnicol A, Lefebvre O, Goswami R, Stemmelen T, Molitor A, Carapito R, Girardo S, Osmani N, Goetz JG. Endothelial calcium firing mediates the extravasation of metastatic tumor cells. iScience. 2024 Dec 26;28(2):111690. doi: 10.1016/j.isci.2024.111690. 

La diffusione metastatica avviene quando le cellule tumorali si staccano dal tumore primario e colonizzano altri organi. Questo studio dimostra che le cellule endoteliali, che rivestono i vasi sanguigni, partecipano attivamente a questo processo rimodellando la propria struttura per permettere alle cellule tumorali di fuoriuscire dal vaso. Utilizzando modelli di zebrafish e microscopia ad alta risoluzione, è stato dimostrato che questo rimodellamento dipende dal segnale del calcio (Ca²⁺) e dall’attività di specifici canali meccanosensibili. Bloccare questi canali riduce l’extravasazione, indicando nuove potenziali strategie terapeutiche per limitare la formazione di metastasi.

Metastatic dissemination occurs when cancer cells detach from the primary tumor and colonize distant organs. This study demonstrates that endothelial cells — which line the interior of blood vessels — actively participate in this process by remodeling their structure to allow tumor cells to exit the vessel (extravasation). Using zebrafish models and high-resolution microscopy, the researchers showed that this endothelial remodeling depends on calcium (Ca²⁺) signaling and the activity of specific mechanosensitive ion channels. These channels respond to mechanical forces and regulate intracellular calcium dynamics. Importantly, blocking these mechanosensitive channels significantly reduced tumor cell extravasation, highlighting potential new therapeutic strategies aimed at limiting metastatic spread by targeting endothelial cell responses.

Reichel F, Goswami R, Girardo S, Guck J. High-throughput viscoelastic characterization of cells in hyperbolic microchannels. Lab Chip. 2024 Apr 30;24(9):2440-2453. doi: 10.1039/d3lc01061a.

Le proprietà viscoelastiche delle cellule rivelano informazioni sul loro stato e sulle malattie. Abbiamo sviluppato un nuovo metodo microfluidico basato su microcanali iperbolici, che consente di misurare in modo preciso e rapido la rigidità e la deformabilità di centinaia di cellule al secondo. Testato su microgel e cellule leucemiche il sistema permette di individuare variazioni nelle proprietà meccaniche cellulari, offrendo un approccio efficiente per lo studio della meccanica cellulare e la diagnosi precoce di alterazioni patologiche.

The viscoelastic properties of cells provide valuable information about their physiological state and the presence of disease. Changes in cell stiffness and deformability are often associated with pathological conditions, including cancer and blood disorders. In this work, we developed a novel microfluidic method based on hyperbolic microchannels that enables rapid and precise measurement of cell rigidity and deformability. The system is capable of analyzing hundreds of cells per second, making it highly efficient and suitable for high-throughput applications. When tested on hydrogel microgels and leukemic cells, the platform successfully detected variations in mechanical properties. These results demonstrate that the method is a powerful tool for studying cell mechanics and may offer a promising approach for the early detection of pathological alterations.

De Vitis E, Stanzione A, Romano A, Quattrini A, Gigli G, Moroni L, Gervaso F, Polini A. The Evolution of Technology-Driven In Vitro Models for Neurodegenerative Diseases. Adv Sci (Weinh). 2024 Apr;11(16):e2304989. doi: 10.1002/advs.202304989.

Le alterazioni dei circuiti neuronali del sistema nervoso centrale e periferico sono strettamente associate all’insorgenza delle malattie neurodegenerative. Nonostante i notevoli progressi della ricerca, la comprensione dei meccanismi patologici e lo sviluppo di terapie efficaci restano limitati, soprattutto a causa della difficoltà di riprodurre in vitro la complessità del sistema nervoso. I modelli 2D risultano troppo semplici, mentre quelli 3D, pur più avanzati, presentano ancora diverse criticità. Tecnologie innovative come l’organ-on-chip e la stampa 3D offrono nuove soluzioni per superare tali limiti. Questa review analizza vantaggi e svantaggi delle piattaforme microfluidiche e dei biomateriali simili alla matrice extracellulare, esplorando infine l’integrazione di microfluidica e idrogel nei più recenti modelli di brain-on-chip per lo studio delle malattie neurodegenerative.

Alterations in neural circuits of the central and peripheral nervous systems are closely associated with the onset of neurodegenerative diseases. Despite significant research advances, understanding the underlying pathological mechanisms and developing effective therapies remain challenging, largely due to the difficulty of accurately reproducing the complexity of the nervous system in vitro. Two-dimensional (2D) models are overly simplistic and fail to replicate the dynamic and structural complexity of neural tissues. Although three-dimensional (3D) models represent a major step forward, they still present several limitations, including restricted control over microenvironmental factors and limited physiological relevance. Innovative technologies such as organ-on-chip platforms and 3D bioprinting offer promising solutions to overcome these limitations. This review analyzes the advantages and drawbacks of microfluidic platforms and extracellular matrix-like biomaterials. Finally, it explores the integration of microfluidics and hydrogels in the latest brain-on-chip models, highlighting their potential for advancing the study of neurodegenerative diseases and improving preclinical research strategies.

Bisconti F,  Vilardo B, Corallo G, Scalera F, Gigli G, Chiocchetti A, Polini A,  Gervaso F. (2024) An Assist for Arthritis Studies: A 3D Cell Culture of Human Fibroblast-Like Synoviocytes by Encapsulation in a Chitosan-Based Hydrogel Adv. Therap., 2024, 7, 2400166 doi: 10.1002/adtp.202400166

L’osteoartrosi (OA) e l’artrite reumatoide (RA) sono le forme di artrite più comuni in cui è coinvolta la sinovia, ma le basi cellulari e molecolari di queste patologie necessitano ancora di una migliore comprensione. I sinoviociti di tipo fibroblastico (FLS), uno degli elementi cellulari della sinovia, svolgono un ruolo chiave nella RA, una malattia autoimmune caratterizzata da infiammazione articolare e sintomi sistemici che colpisce circa l’1% della popolazione mondiale. Sebbene il danno articolare abbia origine nella sinovia e progredisca coinvolgendo la cartilagine fino all’erosione ossea, sono stati riportati numerosi modelli in vitro 3D per cartilagine e osso, mentre solo pochi studi si sono concentrati sulla componente sinoviale. In questo lavoro viene sviluppata una formulazione di idrogel adatta alla coltura 3D di sinoviociti umani di tipo fibroblastico e ne viene valutata l’idoneità utilizzando cellule derivate da pazienti non-RA e RA. Tra le diverse formulazioni testate, un idrogel a base di chitosano (Cs), costituito dal 70% di Cs e dal 30% di Matrigel, ha mostrato i migliori risultati in termini di stabilità, crescita cellulare e morfologia: sia i FLS non-RA sia quelli RA sono in grado di crescere all’interno dell’idrogel formando una complessa rete tridimensionale. Grazie al basso costo e all’elevata disponibilità commerciale del chitosano, questo sistema rappresenta una valida alternativa all’uso del solo Matrigel per l’incapsulamento dei sinoviociti umani.

Stanzione A, Polini A, Scalera F, Gigli G, Moroni L, Gervaso F. Photo/thermo-sensitive chitosan and gelatin-based interpenetrating polymer network for mimicking muscle tissue extracellular matrix. Heliyon. 2024 Oct 24;10(21):e39820. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e39820.

L’interazione dinamica tra matrice extracellulare, architettura tridimensionale e cellule residenti è fondamentale nel regolare il comportamento cellulare. I sistemi di coltura 3D basati su matrici rappresentano modelli efficaci per riprodurre in vitro le interazioni tissutali, a condizione che siano biocompatibili e in grado di imitare le proprietà meccaniche del tessuto nativo. In questo studio viene sviluppata una rete polimerica interpenetrante a base di chitosano e gelatina modificata (GelMA), con transizione sol-gel indotta da luce UV e temperatura, progettata per mimare la matrice extracellulare del tessuto muscolare. Il sistema è stato ampiamente caratterizzato e ha dimostrato di supportare la crescita, la vitalità e la differenziazione delle cellule muscolari verso un fenotipo muscolare.

Bucciarelli A, Selicato N, Coricciati C, Rainer A, Capodilupo AL, Gigli G, Moroni L, Polini A, Gervaso F. Modelling methacrylated chitosan hydrogel properties through an experimental design approach: from composition to material properties. J Mater Chem B. 2024 Oct 17;12(40):10221-10240. doi: 10.1039/d4tb00670d.

Gli idrogel a base di biopolimeri stanno progressivamente sostituendo quelli sintetici nel campo dell’ingegneria tissutale grazie alle loro proprietà biocompatibili, sebbene presentino difficoltà di standardizzazione dovute alla variabilità intrinseca dei materiali e alla reversibilità dei processi di reticolazione fisica. In questo lavoro è stato sintetizzato un derivato fotoreticolabile del chitosano, il chitosano metacrilato (CsMA), capace di formare idrogel tramite polimerizzazione radicalica indotta da esposizione UV. È stato condotto uno studio sistematico per correlare le proprietà fisiche del materiale ai parametri di preparazione, utilizzando il metodo statistico della superficie di risposta per costruire modelli empirici. In particolare, sono state analizzate la viscosità delle soluzioni di CsMA e le proprietà meccaniche, morfologiche e di degradazione degli idrogel in funzione di diversi fattori di processo. Le soluzioni di CsMA hanno mostrato un comportamento shear-thinning, risultando adatte alla stampa 3D per estrusione. Gli idrogel ottenuti sono altamente modulabili, con rigidità compresa tra 12 e 64 kPa e buona stabilità nel tempo (fino a 60 giorni). La possibilità di controllare la rigidità tramite modelli empirici apre infine a numerose potenziali applicazioni in base alle proprietà meccaniche dei diversi tessuti biologici.

Biopolymer-based hydrogels are progressively replacing synthetic ones in tissue engineering due to their superior biocompatibility. However, they present challenges in standardization because of intrinsic material variability and the reversible nature of physical crosslinking processes. In this work, a photocrosslinkable derivative of chitosan, methacrylated chitosan (CsMA), was synthesized. CsMA is capable of forming hydrogels through radical polymerization induced by UV exposure, enabling more controlled and stable network formation. A systematic study was conducted to correlate the material’s physical properties with preparation parameters. Using response surface methodology, empirical models were developed to describe the relationships between processing variables and material performance. In particular, the viscosity of CsMA solutions, as well as the mechanical, morphological, and degradation properties of the resulting hydrogels, were analyzed as a function of different process factors. CsMA solutions exhibited shear-thinning behavior, making them suitable for extrusion-based 3D printing. The resulting hydrogels were highly tunable, with stiffness values ranging from 12 to 64 kPa and good long-term stability (up to 60 days). The ability to predict and control hydrogel stiffness through empirical modeling opens up numerous potential applications, allowing the material to be tailored to match the mechanical properties of different biological tissues.