Circadian Clock Study Through Frequency-Encoded Entrainment Stimulations

I ritmi circadiani sono meccanismi biologici di organizzazione temporale intrinseci e autosostenuti, che consentono agli organismi di anticipare i cambiamenti ambientali e permettono loro di adattare il loro comportamento e la loro fisiologia nell’arco della giornata. L’orologio circadiano è sincronizzato dai cicli luce/buio e dall’ora dei pasti. La funzione biologica essenziale del ritmo circadiano è mantenere lo stato fisiologico dell’organismo e la sua sincronia comportamentale e metabolica con l’ambiente esterno. Recentemente è stato dimostrato che l’orologio circadiano garantisce il mantenimento dell’omeostasi metabolica, e che una distruzione del ritmo circadiano è causa di numerose malattie. L’approccio sperimentale convenzionale per lo studio dell’orologio circadiano in vitro è basato su una singola stimolazione di un solo metabolita o ormone, mentre in vivo i tessuti sono esposti in continuo a stimoli oscillatori periodici di una grande vastità di metaboliti e ormoni, le cui variazioni sono spesso interconnesse, come nel caso di glucosio e insulina. Inoltre, nell’analisi sperimentale convenzionale, sono studiati solo uno o pochi geni noti per essere implicati nell’orologio circadiano, mentre è noto che un elevato numero di geni sono espressi in modo circadiano. Lo scopo di questo progetto di ricerca è quindi sviluppare tecnologie e metodi di analisi per studiare l’effetto di stimoli metabolici in frequenza sull’orologio circadiano di tessuti periferici. Questi stimoli riproducono infatti in vitro le oscillazioni metaboliche a cui i tessuti sono esposti in vivo. Tecnologie, e più nello specifico, microtecnologie sono state sviluppate per studiare gli effetti di stimoli metabolici oscillatori, ed è stato dimostrato che in fibroblasti murini l’espressione di Per2 (uno dei geni principali del meccanismo molecolare dell’orologio circadiano) è sincronizzata da stimoli metabolici oscillatori. Inoltre, è stato dimostrato che le oscillazioni metaboliche sono di per sé sufficienti per allineare l’orologio circadiano nei tessuti periferici. Per sviluppare un modello che riproducesse in vitro condizioni sia fisiologiche che patologiche, raggiungendo un controllo spazio-temporale preciso del microambiente cellulare, le stimolazioni in frequenza sono state automatizzate in un dispositivo microfluidico progettato in modo dedicato per studi del ritmo circadiano. Infine, per estendere lo studio ai geni espressi con un pattern temporale circadiano, un nuovo metodo di analisi è stato proposto e caratterizzato. Il metodo permette di identificare geni circadiani da dati di trascrittomica, di suddividere i geni basandosi sulla fase della loro espressione, di visualizzare dati di trascrittomica nel loro complesso e di individuare rapidamente e in modo semplice modifiche a livello trascrizionale da una condizione biologica ad un’altra.