> FocusUnimore > numero 26 – giugno 2022

Alzheimer’s: an Unimore project to develop a low-cost biosensor for large-scale screening

Alzheimer’s Disease is the most common cause of dementia. Its diagnosis uses “biomarkers”, the most specific being the increase in levels of tau phosphorylated (p-tau) in CSF. However, the measurement of p-tau in the blood is not yet standardised and only a few laboratories in Italy and a few dozens in the European Union have the expensive equipment necessary for this measurement. It is therefore clear that the advent of a low-cost technology that allows large-scale, user-friendly and highly sensitive screening would represent a potential turning point in the diagnosis of AD. In recent years, EGOT type biosensors with very high sensitivity and low manufacturing costs, addressed to a wide range of analytes, have been realised by several research groups around the world, including the Organic Electronics Laboratory of Unimore (whose head is Professor Fabio Biscarini).  Carlo Bortolotti, professor at the Department of Life Sciences, is the coordinator of the interdisciplinary project P-DOT ( “Diagnostics of Alzheimer’s Disease with Label Free Organic Transistors) whose aim is the development of a label-free biosensor for the detection of p-tau in real samples of patients suffering from Alzheimer’s disease.

La malattia di Alzheimer (Alzheimer’s Disease, AD) è la più comune causa di demenza; solo in Italia ne soffrono circa 600mila persone, di cui circa 6.000 nella provincia di Modena. A supporto della diagnosi di AD oggi è possibile utilizzare “biomarcatori” ovvero indici biologici che dimostrino la sottostante presenza della patologia associata alla malattia. 

Ad oggi questi biomarcatori possono essere visualizzati solo con costose indagini neurodiagnostiche come la tomografia ad emissione di positroni (PET) o misurati nel liquido cerebrospinale (CSF) dopo suo prelievo mediante puntura lombare, una procedura relativamente invasiva. 

Fra questi biomarcatori quello considerato più specifico è l’aumento dei livelli di tau fosforilata (p-tau) nel CSF, che riflette sia lo stato di fosforilazione della proteina tau che la formazione delle alterazioni istopatologiche che si formano all’interno dei neuroni e che sono tipiche della malattia, indicate come grovigli neurofibrillari. 

E’ stato dimostrato che p-tau aumenta anche nel plasma e i suoi livelli potrebbero pertanto essere potenzialmente quantificati con un semplice prelievo di sangue. Tuttavia, la misurazione di p-tau nel sangue ad oggi non è ancora standardizzata e solo pochi laboratori in Italia e poche decine di centri nell’intera Unione Europea possiedono le costose apparecchiature necessarie a questa misurazione. È pertanto evidente come l’avvento di una tecnologia a basso costo, che permetta uno screening su larga scala, di facile utilizzo e ad alta sensibilità rappresenterebbe un potenziale punto di svolta nella diagnosi dell’AD

Lo scopo principale del progetto P-DOT ( “Diagnostics of Alzheimer’s Disease with Label Free Organic Transistors) è lo sviluppo di un biosensore label-free per le rilevazione di p-tau in campioni reali di pazienti affetti da malattia di Alzheimer. Tale biosensore sarà basato su architettura EGOT, acronimo di “Electrolyte Gated Organic Transistor”. 

I transistor elettronici organici, in particolare gli EGOT, si stanno imponendo come una valida alternativa agli attuali metodi diagnostici allo stato dell’arte. Gli EGOT sono dispositivi elettronici che prevedono l’utilizzo di molecole organiche come materiale attivo e capaci di funzionare in ambiente acquoso, caratteristiche che, assieme ai bassi voltaggi (< 1 Volt) richiesti per il funzionamento, li rendono candidati interessanti per applicazioni biosensoristiche. Negli ultimi anni, sono stati realizzati da diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo, fa cui anche dal Laboratorio di Elettronica Organica di Unimore (il cui responsabile è il Prof. Fabio Biscarini), biosensori di tipo EGOT ad altissima sensibilità e costi di fabbricazione ridotti, rivolti ad una ampia gamma di analiti. 

Per raggiungere la finalità principale del progetto, sono stati identificati obiettivi specifici, e per ciascuno di essi è stato progettato un “work package” destinato al suo raggiungimento.          

Cristalli di semiconduttore organico Tips-Pentacene depositato su elettrodi d’oro interdigitati su substrato di quarzo

Le fasi inziali di P-DOT riguarderanno la fabbricazione di transistor elettronici organici EGOFET e la valutazione del loro utilizzo come biosensori verso p-tau in soluzioni acquose di test. Solo in una seconda fase, previa ottimizzazione di parametri quali selettività, sensibilità e stabilità nel tempo, i biosensori EGOT saranno testati a livello pre-clinico con campioni reali quali fluido cerebrospinale o plasma, confrontando le prestazioni biosensoristiche di questa piattaforma elettronica con la principale tecnica al momento utilizzata nei laboratori clinici per la quantificazione di p-tau. I risultati ottenuti tramite la misurazione col biosensore EGOT di campioni biologici da pazienti affetti da malattia di Alzheimer saranno inoltre correlati con dati di neuroimmagine. 

P-DOT è un progetto altamente interdisciplinare, che prevede competenze che spaziano dalla chimica dei materiali alla neurologia clinica: esso è basato pertanto sull’azione concertata di due gruppi di ricerca appartenenti ad ambiti solo apparentemente lontani fra loro.    

P-DOT prevede infatti il coinvolgimento del Prof. Carlo A. Bortolotti, coordinatore del progetto e docente presso il Dipartimento di Scienze della Vita (DSV), della Prof.ssa Giovanna Zamboni, del Dipartimento di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze (DBMN) e inoltre recente vincitrice del prestigiosissimo finanziamento ERC Starting Grant, di Roberta Bedin, biologa responsabile del laboratorio di Neuroimmunologia dell’Ospedale di Baggiovara e tecnica presso il DBMN, e del Prof. Fabio Biscarini, anch’esso afferente al DSV. 

Oltre a tali figure di personale strutturato, il progetto prevede anche il reclutamento di due figure di assegnista di ricerca, che lavoreranno a tempo pieno alle ricerche di P-DOT.

Il progetto è cominciato solo recentemente, dal momento che è stato prima necessario compiere tutti i passi formali che consentono l’utilizzo di campioni biologici a fini sperimentali, fra cui l’approvazione da parte del Comitato Etico. 

Insieme alle attività di sviluppo scientifico e tecnologico sono previste anche diverse azioni di comunicazione e disseminazione, destinate sia alla promozione delle finalità del progetto ad un pubblico di non esperti (grazie alla creazione di una pagina web dedicata, attualmente in fase di finalizzazione, e tramite la partecipazione ad eventi di public engagement, come quelli realizzati durante l’Alzheimer Day) che alla presentazione dei risultati scientifici ottenuti alla comunità scientifica tramite pubblicazioni open access e presentazioni a conferenze. 

“Il nostro obiettivo” dice il coordinatore del progetto Carlo A. Bortolotti “è quello di contribuire allo sviluppo di nuovi metodi per l’identificazione precoce della malattia di Alzheimer, col fine ultimo di facilitarne l’identificazione prima che compaiano i sintomi più gravi della malattia in modo che le persone possano usufruire dei farmaci capaci di rallentare la progressione della malattia che speriamo diventino disponibili nel breve futuro.”

Alzheimer: un progetto per sviluppare un biosensore a basso costo per screening su larga scala