Smart Artificial Cells for Health Applications
Progetto dedicato allo sviluppo di sistemi artificiali intelligenti e responsivi per applicazioni biomediche,
con particolare attenzione a rilascio controllato, biomateriali funzionali, compartimenti biomimetici avanzati
e validazione biologica in contesti sperimentali rilevanti.
Il progetto
Il progetto Smart Artificial Cells for Health Applications nasce all’interfaccia tra chimica dei sistemi,
biomateriali, biologia sintetica e drug delivery bioispirato. L’obiettivo generale è sviluppare sistemi artificiali
capaci di svolgere funzioni controllate, quali trasporto selettivo, rilascio regolato, risposta a stimoli esterni
e interazione funzionale con ambienti biologici.
La strategia iniziale era centrata sullo sviluppo di compartimenti artificiali basati su vescicole lipidiche giganti
e altri sistemi biomimetici. Nel corso del progetto, l’attività sperimentale ha confermato il valore di tali sistemi
come modelli per lo studio di membrane artificiali, responsività, trasporto e comunicazione tra compartimenti sintetici
e cellule viventi.
L’evoluzione scientifica del progetto ha inoltre portato allo sviluppo di piattaforme più robuste e orientate
all’applicazione, tra cui idrogel termo-responsivi, biomateriali fotosintetici per la generazione controllata di ossigeno,
sistemi vescicolari redox-responsivi, piattaforme a rilascio fotoindotto e carrier basati su metal-organic frameworks.
Obiettivi scientifici
- sviluppare sistemi artificiali responsivi per applicazioni biomediche;
- ottimizzare compartimenti lipidici e vescicole giganti come modelli di cellule artificiali;
- studiare processi di trasporto, permeabilità e rilascio controllato attraverso membrane biomimetiche;
- progettare sistemi attivabili da stimoli fisici o chimici, inclusi luce e specie reattive dell’ossigeno;
- sviluppare biomateriali e sistemi ibridi più stabili per applicazioni in condizioni biologicamente rilevanti;
- validare i sistemi più promettenti attraverso saggi biologici orientati alla biocompatibilità e alla rilevanza terapeutica;
- diffondere i risultati attraverso pubblicazioni, congressi, collaborazioni scientifiche e attività di comunicazione istituzionale.
Unità di ricerca e collaborazioni
Università degli Studi di Bari Aldo Moro
Unità coordinatrice del progetto, sotto la responsabilità scientifica del Prof. Fabio Mavelli.
L’unità UNIBA ha contribuito allo sviluppo di biomateriali responsivi, sistemi fotosintetici per generazione
di ossigeno, membrane ROS-responsive, approcci di elettrofisiologia sintetica e piattaforme per comunicazione
tra sistemi sintetici e cellule viventi.
Università degli Studi di Siena
Unità coordinata dal Prof. Federico Rossi. L’unità UNISI ha contribuito allo sviluppo di vescicole giganti,
membrane fotoswitchable, sistemi chimici dinamici in compartimenti confinati e carrier più robusti basati
su metal-organic frameworks per rilascio controllato.
Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri IRCCS
Struttura collaboratrice coinvolta per la validazione biologica e traslazionale dei sistemi sviluppati.
Le attività sono state svolte sotto la responsabilità scientifica del Dr. Christodoulos Xinaris, con attenzione
a citocompatibilità, bioattività e rilevanza biologica dei sistemi più promettenti.
Attività svolte e principali risultati
Biomateriali e sistemi responsivi sviluppati da UNIBA
L’unità UNIBA ha sviluppato diverse piattaforme smart per applicazioni biomediche, tra cui sistemi idrogel
termo-responsivi per rilascio localizzato, biomateriali fotosintetici ibridi per generazione di ossigeno,
membrane ROS-responsive e metodologie per lo studio di vescicole giganti e membrane artificiali.
Una linea particolarmente rilevante ha riguardato l’impiego di membrane tilacoidali/cloroplastiche come biomateriali
capaci di generare ossigeno in situ in condizioni biologicamente rilevanti. Gli esperimenti in vitro su modelli
cellulari cardiomiocitari, condotti in collaborazione con il Mario Negri, hanno consentito di valutare il potenziale
di tali sistemi rispetto al danno da ipossia e ischemia-riperfusione.
Comunicazione tra compartimenti sintetici e cellule viventi
In collaborazione tra UNIBA e UNISI, sono stati sviluppati sistemi basati su vescicole giganti funzionalizzate
con componenti di membrana fotoswitchable. Tali sistemi sono stati impiegati come compartimenti biomimetici
per rilascio controllato di ATP in seguito a irraggiamento, con conseguente attivazione di segnali intracellulari
di calcio in cellule riceventi. Questo risultato rappresenta una prova di concetto significativa per la comunicazione
tra sistemi sintetici e sistemi biologici.
Membrane artificiali, GUV e chimica dei sistemi sviluppate da UNISI
L’unità UNISI ha sviluppato protocolli innovativi per la preparazione di Giant Unilamellar Vesicles, inclusi protocolli
sugar-free basati su polimeri inerti, utili a ridurre interferenze con sistemi biochimici incapsulati. Ha inoltre
studiato membrane fotoswitchable e sistemi dinamici in microcompartimenti, contribuendo alla comprensione di come
trasporto, confinamento e reazioni chimiche possano generare comportamenti emergenti in modelli di cellule artificiali.
Evoluzione verso piattaforme più robuste
L’attività sperimentale ha evidenziato che i sistemi puramente lipidici, pur essendo molto utili come modelli concettuali
e sperimentali, possono presentare limiti di stabilità e riproducibilità in condizioni fisiologicamente rilevanti.
Per questo il progetto ha integrato piattaforme più robuste, tra cui biomateriali ibridi, sistemi idrogel e carrier
basati su metal-organic frameworks, mantenendo invariati gli obiettivi funzionali di rilascio controllato,
responsività e applicabilità biomedica.
Risultati raggiunti
- sviluppo di sistemi artificiali e biomimetici responsivi per applicazioni in ambito biomedicale;
- ottimizzazione di protocolli per la preparazione e lo studio di vescicole lipidiche giganti;
- sviluppo di membrane fotoswitchable e sistemi di rilascio attivabili con la luce;
- realizzazione di una prova di concetto di comunicazione tra compartimenti sintetici e cellule viventi;
- sviluppo di biomateriali fotosintetici per generazione controllata di ossigeno in vitro;
- avanzamento di sistemi ROS-responsive basati su analoghi fosfolipidici ossidabili;
- consolidamento di approcci metodologici di elettrofisiologia sintetica su vescicole e membrane artificiali;
- sviluppo di piattaforme più robuste per rilascio controllato, incluse architetture basate su metal-organic frameworks;
- produzione di pubblicazioni, manoscritti sottomessi, tesi di dottorato e contributi a congressi nazionali e internazionali.
DNSH, Open Access e pari opportunità
Le attività del progetto sono state svolte nel rispetto del principio DNSH, della normativa ambientale applicabile
e dei principi trasversali del PNRR. Le attività hanno riguardato ricerca di laboratorio, sviluppo di biomateriali,
ottimizzazione metodologica e validazione biologica, senza implicare processi industriali ambientalmente critici.
Il progetto ha promosso la diffusione dei risultati attraverso pubblicazioni scientifiche, manoscritti sottomessi,
comunicazioni a congressi e attività di disseminazione. La composizione dei gruppi di ricerca ha inoltre favorito
la partecipazione di ricercatrici e ricercatori a diversi stadi di carriera, contribuendo alla formazione di giovani
ricercatori e ricercatrici in un contesto multidisciplinare.
Pubblicazioni e prodotti scientifici
UNIBA
- Albanese P., Barbaro R., Mavelli F., Altamura E. Chapter 14: Synthetic Cells. In Handbook of Synthetic Biology, edited by Vijai Singh, Springer Nature Singapore, 2026. ISBN 9819539560, 9789819539567, in press.
- Albanese P., Pierro I.C., Barbaro R., Lavecchia A.M., Xinaris C., Altamura E., Mavelli F. Thylakoid Membranes as Biomaterial for in situ Oxygen Generation against Ischemia-Reperfusion Injury. Manuscript submitted to Biomaterials Science, 2026.
- Pierro I.C., Fiore M., Altamura E., Mavelli F. Design and Synthesis of Oxalate-Linked Phospholipid Analogues for Hydrogen Peroxide-Responsive Membranes. In preparation.
- Pierro I.C. Smart Artificial Systems for Health Applications. PhD Thesis, University of Bari Aldo Moro, PhD Program in Chemical and Molecular Sciences, XXXVIII Cycle, 2026.
UNISI
- Albanese P.; Cataldini S.; Amoroso S.; Sessa L.; Piotto S.; Di Martino M.; Concilio S.; Mavromatidou I.; Naiya M. M.; Brunetti J.; Altamura E.; Magnani A.; Chen J. L.-Y.; Rossi F. Photomodulation of Vesicle Dynamics Using Fluorescent Photoswitchable Amphiphiles. Journal of Materials Chemistry B 2026, 14 (10), 3093-3108. https://doi.org/10.1039/D5TB01894C
- Itatani M.; Holló G.; Albanese P.; Valletti N.; Kurunczi S.; Horvath R.; Rossi F.; Lagzi I. Temporal pH Waveforms Generated in an Enzymatic Reaction Network in Batch and Cell-Sized Microcompartments. Cell Reports Physical Science 2025, 6 (1), 102367. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102367
- Budroni M. A.; Rossi F. Transport-Driven Chemical Oscillations: A Review. Physical Chemistry Chemical Physics 2024, 26 (47), 29185-29226. https://doi.org/10.1039/D4CP03466J
- Acar M.; Tatini D.; Romani V.; Ninham B. W.; Rossi F.; Lo Nostro P. Curious Effects of Overlooked Aspects on Urease Activity. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2025, 247, 114422. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2024.114422
- Valletti N.; Albanese P.; Itatani M.; Nemet N.; Schuszter G.; Elejalde Cadena N. R.; Lupetti P.; Paccagnini E.; Taylor A. F.; Lagzi I.; Rossi F. Biomimetic Synthesis of Zeolitic Imidazolate Framework-8 in Giant Unilamellar Vesicles. Submitted.
UNIBA-UNISI
- Albanese P.; Altamura E.; Mavelli F.; Fiore M.; Rossi F. Building Synthetic Life: Artificial Cells and Their Applications. Manuscript submitted to Contemporary Physics, 2026.
- Barbaro R.; Albanese P.; Colella M.; Lattarulo D.; Saha S.; Chen J. L.-Y.; Mavelli F.; Rossi F.; Altamura E. Light-Triggered Communication Between Synthetic and Living Cells via Photoswitchable Membranes. Manuscript submitted to ChemBioChem, 2026.
Partecipazione a congressi, scuole e workshop
- Barbaro R., Altamura E., Caroppo R., Mavelli F. Toward Synthetic Electrophysiology: Probing Artificial Cells with Intracellular Microelectrodes. DarChem Autumn School 2025, Hotel Seeblick, Greater Munich area, Germany, 13-17 October 2025.
- Mavelli F., Albanese P., Altamura E., Barbaro R., Pierro C. I. Modeling Metabolic Pathways in Synthetic and Biological Lipid Compartment. DYNALIFE COST Action CA21169, Thematic Workshop: From Theoretical Models to Experiment and Back, Sozopol, Bulgaria, 4-5 September 2025.
- Rossi F. Synthesis and Application of Giant Unilamellar Vesicles for Cellular Modeling and Advanced Materials. 50th Congress of the Physical Chemistry Division of the Società Chimica Italiana and the 5th European Conference on Physical Chemistry, Pisa, Italy, 29 June-3 July 2025.
- Itatani M., Holló G., Albanese P., Valletti N., Kurunczi S., Horvath R., Rossi F., Lagzi I. Enzymatic Reactions in Giant Vesicles to Approach Artificial Cells. 17th International Conference on Fundamental and Applied Aspects of Physical Chemistry, Belgrade, Serbia, 23-27 September 2024.
- Rossi F. Synthesis and Application of Giant Unilamellar Vesicles for Cellular Modeling and Advanced Materials. ICMMA 2024 International Conference on “Self-organization in Life and Matter”, Tokyo, Japan, 9-11 September 2024.
- Pierro C. I., Albanese P., Lavecchia A. M., Xinaris C., Mavelli F., Altamura E. A New Biocompatible and Biodegradable Hybrid Material for Oxygen Generation against Hypoxia-Reperfusion Injury. 9th EuChemS Chemistry Congress (ECC-9), Dublin, Ireland, 2024.
- Pierro C. I., Albanese P., Lavecchia A. M., Xinaris C., Mavelli F., Altamura E. Hybrid Biomaterial for in situ Oxygen Generation against Hypoxia-Reperfusion Injury. 2nd Symposium for YouNg Chemists: Innovation and Sustainability (SYNC 2024), Department of Chemistry, Sapienza University of Rome, Rome, Italy, 24-28 June 2024.
- Albanese P., Cataldini S., Valletti N., Brunetti J., Di Martino M., Concilio S., Chen J. L.-Y., Rossi F. Photoswitchable Amphiphiles for Regulating Liposome Membrane Dynamics and Permeability. Gordon Research Seminar 2024: Oscillations and Dynamic Instabilities in Chemical Systems, Les Diablerets Conference Center, Les Diablerets, Switzerland, 14-15 July 2024.
- Albanese P., Cataldini S., Valletti N., Brunetti J., Chen J. L.-Y., Rossi F. Tuning Artificial Cell Shape and Membrane Permeability with Light. Final Workshop of Horizon Europe Seeds Project (S14): “Lipothermogel for Therapies and Antiobiotic Prophylaxes in situ”, BaLab, Università degli Studi di Bari Aldo Moro, Bari, Italy, 12-13 December 2023.
Prospettive
I risultati ottenuti indicano prospettive promettenti per lo sviluppo di biomateriali responsivi e sistemi artificiali
ispirati alle cellule, combinando compartimentazione, rilascio controllato, risposta a stimoli esterni o endogeni
e progressiva validazione biologica. Le linee più promettenti riguardano biomateriali ibridi per generazione di ossigeno,
membrane ROS-responsive, elettrofisiologia sintetica, piattaforme fotoswitchable per comunicazione sintetico-biologica
e carrier MOF-based per rilascio controllato.
Sostegno finanziario
Il progetto Smart Artificial Cells for Health Applications, codice 2022NT7FRT,
CUP H53D23003920006, è finanziato dall’Unione europea – NextGenerationEU
nell’ambito del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza – PNRR,
Missione 4 “Istruzione e Ricerca”, Componente 2,
Investimento 1.1 “Progetti di Ricerca di Rilevante Interesse Nazionale – PRIN 2022”.
Acknowledgement
This research was funded by the European Union – NextGenerationEU, Mission 4, Component 2,
Investment 1.1, PRIN 2022, project “Smart Artificial Cells for Health Applications”,
code 2022NT7FRT, CUP H53D23003920006.
Informazioni
Per informazioni scientifiche sul progetto: Prof. Fabio Mavelli,
Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Bari Aldo Moro.
Pagina aggiornata sulla base della relazione tecnico-scientifica finale del progetto e dell’elenco delle pubblicazioni
e dei contributi congressuali collegati al PRIN 2022.