Amilcare BARCA

Amilcare BARCA

Ricercatore RTDa

Area di competenza:

Fisiologia [05/D1 BIO/09]

Temi di ricerca

Sin dal 2003, il Dott. Barca studia i sistemi di trasporto che mediano il passaggio di soluti attraverso le membrane cellulari e subcellulari dei vertebrati, sia rispetto alle dinamiche omeostatiche generali che implicano lo scambio transmembrana intra-/extracellulare, che al loro ruolo nei meccanismi e nei processi transepiteliali. Il suo modello di studio prototipico è rappresentato dalle proteine carrier dei di- e tripeptidi (famiglia genica SLC15 dei simporti protoni/oligopeptidi) studiate nella loro espressione genica e funzionale, nel contesto di diversi processi fisiologici ed evoluzioni fisiopatologiche, insieme con gli specifici substrati della loro attività di trasporto. La sua attività di ricerca nasce nell’ambito della fisiologia gastrointestinale dei vertebrati investigata nel modello di teleosteo zebrafish (Danio rerio). In tale modello, il Dott. Barca ha studiato ab initio i meccanismi di regolazione del pH intestinale in relazione ai fenomeni fisiologici di assorbimento/secrezione attraverso gli epiteli di sostanze biotiche e xenobiotiche, di nutrienti, di ioni e composti farmacologicamente attivi; di conseguenza, è entrato nelle linee di ricerca (tutt’oggi condotte) sui sistemi di trasporto di soluti pH-dipendenti degli epiteli, fra cui i sistemi SLC15, studiati e caratterizzati funzionalmente nel contesto della fisiologia intestinale tanto dello zebrafish quanto di altri modelli di teleostei.

Durante il periodo di Dottorato di Ricerca (A.A. 2004 - A.A. 2007), oggetto degli studi del Dott. Barca è stato un sottogruppo della famiglia di simporti SLC15 ovvero la serie PHT (peptide/histidine transporters), investigato con un approccio comparato, genomico e molecolare, in zebrafish (modello di basso vertebrato) in modelli murini e nell’uomo, combinando le analisi in silico del trascrittoma nei diversi organismi modello, con analisi di espressione tessuto/cellula-specifiche. In questo contesto, ha realizzato l’identificazione, l’annotazione e la caratterizzazione di eventi conservati di splicing alternativo dei geni SLC15/PHT (ovvero i membri SLC15A3/PHT2, SLC15A4/PHT1 e SLC15A5/PHT3) per elucidarne il ruolo funzionale, rivelando un meccanismo fisiologico della loro regolazione post-trascrizionale mediato da sistemi di sorveglianza dell’mRNA. Una particolare sessione delle ricerche durante il Dottorato è stata inoltre dedicata alle implicazioni fisiologiche dell’espressione e della della funzione dei carrier SLC15 all’interno del metabolismo tiroideo (in modelli murini animali e cellulari); questi studi hanno dimostrato per la prima volta la dipendenza dal TSH dei geni SLC15 nella tiroide dei mammiferi, nel contesto del loro coivolgimento nel turn-over proteico necessario per la biosintesi degli ormoni tiroidei. Le conoscenze acquisite nelle ricerche condotte durante il Dottorato con approccio concettualmente basato su physiological genomics, genomica comparata, e investigazioni del rapporto struttura-funzione dei geni, unitamente alla conoscenza del modello di vertebrato zebrafish continuativamente approfondita a tutt’oggi, hanno condotto il Dott. Barca a prendere parte con il suo contributo basato sulla fisiologia applicata anche a linee di ricerca su malattie a base genetica e/o malattie rare.

A partire dal 2008, l’attività post-dottorato del Dott. Barca si è ulteriormente articolata nello sviluppo di sistemi di analisi/protocolli basati sull’uso complementare e comparato dei modelli animali (da modelli invertebrati come gli echinodermi, al vertebrato zebrafish, e ai modelli murini di topo e ratto) e delle colture cellulari. In vari studi delle risposte fisio-patologiche innescate da stimoli chimico-fisici, oppure da substrati naturali o farmacologicamente attivi, il Dott. Barca ha sviluppato il suo modello di indagine integrando a) l’analisi di processi e risposte morfo-funzionali, b) la caratterizzazione delle dinamiche di uptake attraverso membrane cellulari e/o epiteli, c) il monitoraggio di variazioni di espressione genica dei principali pathways/network delle risposte cellulari. In questo contesto, il Dott. Barca ha reso complementare tali attività di ricerca con i suoi studi sulle relazioni fra regolazione dei processi/sistemi di trasporto transmembrana (con particolare riferimento ai sistemi SLC15) e situazioni (fisiologiche e fisiopatologiche) di specifica responsività/attivazione cellulare quali citotossicità, infiammazione, differenziazione. Da qui, le sue ricerche si sono estese alle influenze/implicazioni immunitarie e ai fattori extracellulari interagenti con le membrane cellulari e/o gli epiteli, sempre adottando come base un approccio comparato multi-modello, integrato da analisi di espressione, tanto funzionali quanto in silico.

Tale approccio, necessariamente caratterizzato da componenti interdisciplinari, è stato particolarmente sfruttato dal Dott. Barca nelle sue attività di ricerca sulle risposte fisiologiche agli impianti e ai biomateriali compositi (micro-/nanostrutturati) per la tissue engineering, messe in atto a partire dal 2013 come ricercatore in progetti sulla rigenerazione nervosa (s.n. centrale e periferico) e osteocondrale. In quest’ambito, il Dott. Barca è stato impegnato nello sviluppo di nuovi protocolli per valutare la specificità delle risposte cellulari/tissutali in funzione dei biomateriali (e dei loro componenti molecolari) e della loro capacità di indurre variazioni morfo-funzionali compatibili con parametri fisiologici, omeostatici e metabolici. Questo percorso, incentrato sull’interpretazione "fisiologica" delle interazioni cellule/tessuti-biomateriali, è stato recentemente valorizzato con un invito editoriale della rivista Biology (MDPI) a presiedere come topic editor ad uno special issue dal titolo Special Issue "Physiological and Pathophysiological Responses to Biomaterials", che finalizza idealmente il raccordo tematico della fisiologia applicata nell’ambito dei biomateriali e della biomedicina.

Infine, dal 2011 ad oggi, il Dott. Barca sta conducendo una sua linea di ricerca "naturalmente" derivata dal contesto generale degli studi sui trasportatori SLC15, ovvero dedicata ai pathways metabolici e ai network omeostatici di determinati substrati naturali (derivanti da sintesi endogena oppure dalla dieta) presenti nei tessuti eccitabili dei vertebrati, come la classe dei dipeptidi contenenti istidina (substrati propri dell’attività di trasporto dei carrier SLC15), peculiarmente interagenti con elementi cationici essenziali (come Cu++, Zn++, Ca++), le cui proprietà biochimiche sono cruciali nella fisiopatologia degli stessi tessuti eccitabili in diverse insorgenze citotossiche e/o degenerative. Più in dettaglio e più recentemente, il Dott. Barca sta investigando il ruolo di tali dipeptidi histidine-based nei processi infiammatori (per es. A carico degli epiteli intestinali) anche in sindromi metaboliche (per es. diabete), e in condizioni neurodegenerative, con particolare attenzione alla contrapposizione di aspetti comuni vs. singolarità della modulazione dell’espressione di geni che controllano il loro bilancio omeostatico, lungo l’intero percorso che va dal loro assorbimento transepiteliale fino al loro impatto funzionale e metabolico in diversi tipi cellulari, tessuti e organi.

INTERESSI DI RICERCA - KEYWORDS

Processi e sistemi di trasporto transmembrana (e.g. solute carrier family SLC15), e loro substrati (e.g. dipeptidi histidine-based, amminoacidi e oligopeptidi, protoni, ioni) – processi e fenomeni della degenerazione e rigenerazione tissutale – meccanismi fisiologici regolatori dell’espressione genica – animali modello e protocol design – dinamiche di uptake cellulari ed epiteliali – fisiologia epiteliale gastrointestinale – bilancio e alterazione dell’omeostasi – infiammazione, citotossicità e citocompatibilità – risposte fisiologiche ai biomateriali, interazioni cellula-materiale.