Pavia, 14 agosto 2026 – Due cellule apparentemente identiche possono trovarsi in momenti molto diversi del proprio ciclo vitale e, di conseguenza, comportarsi in modo differente. Per rendere visibile questo “orologio interno”, un gruppo di ricerca coordinato dal Synthetic Physiology Laboratory dell’Università di Pavia ha sviluppato CALIPERS – Cell-cycle-Aware Live-cell Imaging for Phenotyping Experiments and Regeneration Studies.
La nuova piattaforma, descritta sulla rivista scientifica internazionale «Nature Communications», consente di seguire nelle stesse cellule viventi la progressione del ciclo cellulare insieme a caratteristiche strutturali e funzionali quali l’organizzazione del citoscheletro, il movimento e l’attività del calcio.
Superare il limite delle misure
I sensori fluorescenti utilizzati nella ricerca biologica sono molecole che, quando illuminate, emettono luce in intervalli predefiniti di lunghezze d’onda. I moderni microscopi a fluorescenza possono rilevare separatamente queste emissioni, associando ciascun colore a una specifica caratteristica o attività della cellula.
Molti dei sensori fluorescenti più utilizzati per misurare struttura e funzione cellulare emettono nelle regioni verde e rossa dello spettro. Anche i tradizionali indicatori FUCCI del ciclo cellulare occupano gli stessi due colori. Questa sovrapposizione ha finora limitato la possibilità di integrare le misure fenotipiche con quelle del ciclo cellulare nello stesso campione vivente. La conseguenza è particolarmente rilevante nello studio di fenomeni biologici complessi: differenze attribuite a un trattamento sperimentale potrebbero, in realtà, dipendere dal diverso momento del ciclo in cui si trovano le cellule osservate. Il problema diventa ancora più importante nei modelli basati su cellule staminali, nei quali proliferazione, migrazione, differenziamento e maturazione funzionale avvengono contemporaneamente e si influenzano a vicenda. Questi modelli sono sempre più utilizzati per studiare lo sviluppo embrionale e la medicina rigenerativa. Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno progettato FUCCIplex, una nuova versione del reporter che utilizza segnali ciano e infrarosso lontano. In questo modo i canali verde e rosso rimangono disponibili per misurare, nella stessa cellula, fenomeni quali l’organizzazione dell’actina e dei microtubuli oppure l’attività del calcio.
Un timestamp biologico per ogni cellula
A FUCCIplex si affianca FUCCIphase, uno strumento open source sviluppato in collaborazione con il gruppo di Florian Jug a Human Technopole. Il software analizza nel tempo i segnali fluorescenti e assegna a ciascuna cellula una stima continua della sua posizione nel ciclo, fornendole una sorta di “timestamp biologico”.
Il gruppo ha inoltre sviluppato FUCCIsmart, un sistema di acquisizione adattiva che utilizza immagini a bassa intensità per monitorare le cellule e attiva l’imaging tridimensionale ad alta risoluzione soltanto quando una cellula si avvicina alla divisione. Questo permette di catturare eventi mitotici riducendo l’esposizione alla luce e il rischio di danneggiare il campione.
Dalle cellule staminali ai tessuti cardiaci
CALIPERS è stato validato in cellule epiteliali, cellule staminali pluripotenti indotte umane e organoidi cardiaci, o “cardioidi”.
Questa parte dello studio è stata realizzata in collaborazione con il laboratorio di Alessandro Bertero all’Università di Torino, che ha messo a disposizione la propria esperienza nei modelli cardiaci derivati da cellule staminali e ha guidato le analisi di sequenziamento dell’RNA a singola cellula.
Nei cardioidi, CALIPERS ha permesso di seguire su una stessa linea temporale l’uscita delle cellule dal ciclo, i cambiamenti nelle dimensioni cellulari, l’organizzazione del tessuto e la comparsa di un’attività del calcio coordinata.
La piattaforma ha inoltre chiarito un’ambiguità importante per gli studi sulla rigenerazione cardiaca: un cardiomiocita che rientra nel ciclo non genera necessariamente due nuove cellule. CALIPERS permette di distinguere una divisione completa dalla formazione di cellule multinucleate o dalla duplicazione del DNA senza divisione, verificando contemporaneamente se le cellule mantengano caratteristiche funzionali cardiache.
«Con CALIPERS il ciclo cellulare non è più una variabile nascosta, ma diventa una coordinata del fenotipo. Possiamo osservare non soltanto che cosa sta facendo una cellula, ma anche in quale momento della sua storia biologica lo sta facendo. Questo aiuta a interpretare correttamente gli esperimenti e a valutare con maggiore rigore possibili strategie rigenerative», spiega Francesco S. Pasqualini, professore dell’Università di Pavia e responsabile del Synthetic Physiology Laboratory.
Lo studio è stato coordinato da Moises Di Sante e Francesco S. Pasqualini e ha coinvolto ricercatrici e ricercatori dell’Università di Pavia, del gruppo di Florian Jug a Human Technopole e del gruppo di Alessandro Bertero all’Università di Torino.
La ricerca è stata sostenuta, tra gli altri, dallo European Research Council, dalla Chips Joint Undertaking, dal Ministero delle Imprese e del Made in Italy e dalle Marie Skłodowska-Curie Actions.
Articolo scientifico
“CALIPERS: Cell cycle-aware live imaging for phenotyping experiments and regeneration studies”, «Nature Communications», 1° agosto 2026.
https://www.nature.com/articles/s41467-026-76144-9
Approfondimento
“Peeking at the cell’s clock: the story behind CALIPERS”
https://communities.springernature.com/posts/peeking-at-the-cell-s-clock-the-story-behind-calipers
