Electrorotation-based characterization of human cell lines: a molecular and dielectrophoretic approach [Caratterizzazione di linee cellulari umane basata sull’elettrorotazione: un approccio molecolare e dielettroforetico]

This thesis explores the potential of electrorotation (ER) as a powerful, label-free technique for characterizing the dielectric properties of living cells, with implications for both fundamental research and biomedical applications. By developing and validating biocompatible buffers, optimal experimental conditions were established to preserve cell viability and molecular integrity during ER measurements. Electrorotation spectra from twelve human cell lines of different tissue origins revealed distinctive, tissue-specific behaviors. In solid tissue-derived lines (breast, prostate, and colon), ER effectively discriminated between non-tumorigenic and tumorigenic phenotypes, reflecting differences in membrane structure, cytoplasmic conductivity, and intracellular organization. Hematological lines exhibited flatter, more homogeneous spectra, consistent with their suspension nature and reduced internal complexity. Correlation analysis identified a consistent association between BTG3 Associated Nuclear Protein (BANP) expression and the ER peak position in solid tissues, suggesting a link between chromatin organization and dielectric response. Conversely, Protein Tyrosine Kinase 2 (PTK2), expression showed no significant correlation. Overall, this work establishes electrorotation as a sensitive, non-destructive biophysical profiling tool, providing a foundation for future studies on complex biological systems and for the integration of computational approaches. Its potential applications include CTC-based diagnostics, tumor detection, and functional characterization in translational biomedical research.

Questa tesi esplora il potenziale dell’elettrorotazione (ER) come tecnica label-free per la caratterizzazione delle proprietà dielettriche delle cellule viventi, con implicazioni sia per la ricerca di base sia per applicazioni biomediche. Sviluppando e validando buffer biocompatibili, sono state stabilite condizioni sperimentali ottimali per preservare la vitalità cellulare e l’integrità molecolare durante le misurazioni di ER. Gli spettri di elettrorotazione di dodici linee cellulari umane di origine tessutale diversa hanno rivelato comportamenti distinti e specifici del tessuto. Nelle linee derivate da tessuti solidi (seno, prostata e colon), l’ER ha discriminato efficacemente tra fenotipi non tumorali e tumorali, riflettendo differenze nella struttura della membrana, nella conducibilità del citoplasma e nell’organizzazione intracellulare. Le linee ematologiche hanno mostrato spettri più piatti e omogenei, coerenti con la loro natura in sospensione e la minore complessità interna. L’analisi di correlazione ha identificato un’associazione costante tra l’espressione della Proteina Nucleare Associata a BTG3 (BANP) e la posizione del picco di ER nei tessuti solidi, suggerendo un legame tra l’organizzazione della cromatina e la risposta dielettrica. Al contrario, l’espressione della Proteina Chinasi Tirosina 2 (PTK2) non ha mostrato correlazioni significative. Complessivamente, questo lavoro stabilisce l’elettrorotazione come uno strumento di profilazione biofisica sensibile e non distruttivo, fornendo una base per studi futuri su sistemi biologici complessi e per l’integrazione di approcci computazionali. Le sue potenziali applicazioni includono diagnostica basata sulle CTCs, rilevamento dei tumori e caratterizzazione funzionale nella ricerca biomedica traslazionale.