La nanotecnologia, la manipolazione della materia a scala atomica e molecolare per creare materiali con proprietà straordinariamente diverse e nuove, rappresenta un’area di ricerca in rapida espansione con un potenziale immenso in vari settori, dalla ricostruzione sanitaria all’elettronica. In medicina, offre la promessa di rivoluzionare il rilascio di farmaci, la terapia genica, la diagnostica e molti altri ambiti di ricerca, sviluppo e applicazione clinica.
Questo articolo non intende coprire l’intero campo, ma fornisce, attraverso alcuni esempi, approfondimenti sulla nanotecnologia che ha il potenziale per cambiare la medicina, sia in laboratorio che clinicamente, affrontando anche alcune delle sfide e preoccupazioni che essa solleva.
Cos’è la nanotecnologia?
Il prefisso «nano» deriva dal greco antico per «nana». In ambito scientifico, indica un miliardesimo (10^-9) di qualcosa, quindi un nanometro (nm) corrisponde a un miliardesimo di metro, ovvero 0,000000001 metri. Un nanometro ha una larghezza di circa 3-5 atomi, risultando circa 40.000 volte più piccolo dello spessore di un capello umano. Un virus, ad esempio, ha generalmente una dimensione di circa 100 nm.
La capacità di manipolare strutture e proprietà su scala nanometrica in medicina è paragonabile a disporre di un banco di laboratorio sub-microscopico, dove è possibile gestire componenti cellulari, virus o segmenti di DNA, utilizzando una varietà di strumenti miniaturizzati, robot e tubi.
Manipolazione del DNA
Le terapie che coinvolgono la manipolazione di singoli geni e delle vie molecolari che ne influenzano l’espressione sono sempre più esplorate come opzioni per il trattamento delle malattie. Uno degli obiettivi più ambiziosi in questo campo è personalizzare i trattamenti in base alla composizione genetica dei singoli pazienti.
Questo genera la necessità di strumenti che permettano agli scienziati di sperimentare e sviluppare tali terapie.
Immaginiamo, ad esempio, di poter distendere una sezione di DNA come se fosse una ciocca di spaghetti, per esaminarla o modificarla, o di costruire nanorobot in grado di «camminare» ed effettuare riparazioni all’interno dei componenti cellulari. La nanotecnologia sta avvicinando questo sogno scientifico alla realtà.
Ad esempio, scienziati dell’Università Nazionale Australiana hanno attaccato perle di lattice rivestite alle estremità del DNA modificato e, utilizzando una «trappola ottica» con un fascio di luce focalizzato, hanno allungato il filo di DNA per studiare le interazioni di specifiche proteine leganti.
Nanobot e Nanostars
Nel frattempo, chimici della New York University (NYU) hanno creato un robot su scala nanometrica a partire da frammenti di DNA, capace di camminare su due gambe lunghe appena 10 nm. In un articolo del 2004 pubblicato sulla rivista Nano Letters, descrivono come il loro «nanowalker», utilizzando molecole di psoraleni attaccate ai piedi, compie piccoli passi: due avanti e due indietro.
Uno dei ricercatori, Ned Seeman, ha immaginato la possibilità di creare una linea di produzione su scala molecolare, dove una molecola viene spostata fino a raggiungere la posizione corretta, e un nanobot esegue una reazione chimica, simile a una «saldatura» sulla linea di assemblaggio. Il laboratorio di Seeman sta anche studiando l’uso della nanotecnologia del DNA per sviluppare computer biochip e scoprire metodi per cristallizzare molecole biologiche, un’area attualmente ricca di sfide.
Nanobot basati sul DNA sono stati progettati per colpire cellule tumorali. Ad esempio, i ricercatori della Harvard Medical School hanno recentemente pubblicato su Science come hanno realizzato un «origami nanorobot» dal DNA per trasportare carichi molecolari. Questo nanobot a forma di barile può trasportare istruzioni molecolari che inducono le cellule a comportarsi in modo specifico. Nel loro studio, il team ha dimostrato come sono state rilasciate molecole in grado di attivare il suicidio cellulare in cellule di leucemia e linfoma.
Anche i nanobot realizzati con altri materiali sono in fase di sviluppo. Ad esempio, i ricercatori della Northwestern University stanno utilizzando l’oro per realizzare «nanostars», nanoparticelle specializzate a forma di stella in grado di somministrare farmaci direttamente ai nuclei delle cellule tumorali. In uno studio pubblicato su ACS Nano, descrivono come i nanostars carichi di farmaco agiscano come piccoli autostoppisti, attratti da una proteina sovraespressa sulla superficie delle cellule tumorali cervicali e ovariche umane, depositando il loro carico direttamente nei nuclei di quelle cellule.
I ricercatori hanno scoperto che dare ai loro nanobot la forma di una stella ha aiutato a superare una delle sfide principali nell’uso di nanoparticelle per la somministrazione dei farmaci: il rilascio preciso delle sostanze. Sostengono che la forma aiuti a concentrare gli impulsi di luce utilizzati per rilasciare il farmaco nei punti specifici della stella.
Nanofarmaci che producono farmaci in situ
Gli scienziati stanno scoprendo che i farmaci a base di proteine sono estremamente utili perché possono essere programmati per fornire segnali specifici. Tuttavia, il problema con la somministrazione tradizionale di tali farmaci è che il corpo tende a degradare la maggior parte di essi prima che raggiungano la loro destinazione.
Ma se fosse possibile produrre questi farmaci in situ, direttamente nel sito bersaglio? Recentemente, ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno dimostrato in NanoLetters come sia possibile realizzare «nanofabbriche» autoassemblanti che producono composti proteici, su richiesta, nei siti bersaglio. Hanno testato l’idea su topi, creando nanoparticelle programmate per produrre una proteina fluorescente Eithergreen (GFP) o luciferasi, attivabili dalla luce UV.
Il team del MIT ha avuto l’idea mentre cercava un modo per affrontare i tumori metastatici, quelli che si sviluppano da cellule tumorali migrate dal sito originale ad altre parti del corpo. Oltre il 90% dei decessi per cancro è dovuto a cancro metastatico. Attualmente stanno lavorando su nanoparticelle in grado di sintetizzare potenziali farmaci antitumorali e su altri metodi per attivarli.
Nanofibre
Le nanofibre sono fibre con un diametro inferiore a 1.000 nm. Le loro applicazioni mediche includono materiali speciali per medicazioni di ferite e tessuti chirurgici, materiali utilizzati negli impianti, ingegneria tissutale e componenti di organi artificiali.
Anche le nanofibre in carbonio si rivelano promettenti per l’imaging medico e strumenti di misurazione scientifica di precisione. Tuttavia, esistono importanti sfide da affrontare, una delle quali è come garantire coerenza nelle dimensioni. Storicamente, questo ha richiesto tempo e risorse considerevoli.
Recentemente, ricercatori della North Carolina State University hanno rivelato di aver sviluppato un nuovo metodo per fabbricare nanofibre di carbonio di dimensioni specifiche. Scrivendo in ACS Applied Materials & Interfaces, descrivono come sono riusciti a coltivare nanofibre di carbonio con diametro uniforme, utilizzando nanoparticelle di nichel rivestite con un guscio fatto di ligandi, piccole molecole organiche che si legano direttamente ai metalli.
Le nanoparticelle di nichel sono particolarmente interessanti perché, a temperature elevate, favoriscono la crescita delle nanofibre di carbonio. I ricercatori hanno anche scoperto un ulteriore vantaggio nell’uso di queste nanoparticelle: possono definire il posizionamento delle nanofibre e, grazie al corretto posizionamento delle nanoparticelle, possono far crescere le nanofibre in un modello specifico, una caratteristica importante per i materiali utili a livello nanoscopico.
Il piombo è un’altra sostanza utilizzata per creare nanofibre. Il neurochirurgo Matthew MacEwan, che studia presso la Washington University School of Medicine di St. Louis, ha avviato un’azienda di nanomedicina per rivoluzionare la rete chirurgica utilizzata nelle sale operatorie di tutto il mondo.
Il prodotto di punta è un polimero sintetico che comprende singoli filamenti di nanofibre, sviluppato per riparare lesioni cerebrali e spinali, ma MacEwan pensa che possa essere utilizzato anche per riparare ernie, fistole e altre lesioni.
Attualmente, le reti chirurgiche utilizzate per riparare la membrana protettiva che copre il cervello e il midollo spinale sono costituite da materiali spessi e rigidi, difficili da lavorare. La rete in nanofibre di piombo è più sottile, flessibile e facilmente integrabile con i tessuti corporei, afferma MacEwan. Ogni filamento della rete in nanofibre è migliaia di volte più sottile del diametro di una singola cellula. L’idea è di utilizzare il materiale in nanofibre non solo per facilitare le operazioni per i chirurghi, ma anche per ridurre le complicazioni post-operatorie per i pazienti, poiché si degrada naturalmente nel tempo.
I ricercatori del Polytechnic Institute of New York University (NYU-Poly) hanno recentemente dimostrato un nuovo approccio per utilizzare le nanofibre con le proteine. Scrivendo sulla rivista Advanced Functional Materials, i ricercatori affermano di aver scoperto quasi per caso che, studiando certe proteine a forma di cilindro derivate dalla cartilagine, in alte concentrazioni alcune di esse si aggregavano spontaneamente formando nanofibre.
Hanno condotto ulteriori esperimenti, come l’aggiunta di amminoacidi riconoscibili dal metallo e vari metalli, scoprendo di poter controllare la formazione delle fibre, alterarne la forma e il modo in cui si legavano a piccole molecole. Ad esempio, l’aggiunta di nichel ha trasformato le fibre in materassini raggruppati, utilizzabili per attivare il rilascio di una molecola di farmaco collegata.
I ricercatori sperano che questo nuovo metodo possa migliorare significativamente la somministrazione di farmaci per il trattamento del cancro, dei disturbi cardiaci e della malattia di Alzheimer. Possono anche prevedere applicazioni nella rigenerazione del tessuto umano, delle ossa e della cartilagine, oltre a sviluppare microprocessori più potenti e avanzati per computer ed elettronica di consumo.
Un’illustrazione schematica che mostra come nanoparticelle o altri farmaci antitumorali potrebbero essere utilizzati per trattare il cancro. Questa illustrazione è stata realizzata per il Manuale Opensource di Nanoscienza e Nanotecnologia.
Prospettive future e problematiche legate ai nanomateriali
Negli ultimi anni, si è assistito a un’esplosione nel numero di studi che evidenziano la varietà di applicazioni mediche della nanotecnologia e dei nanomateriali. In questo articolo abbiamo solo accennato a una piccola porzione di questo vasto campo. Tuttavia, in tutta la gamma, esistono notevoli sfide, la più grande delle quali è come aumentare la produzione di materiali e strumenti e come ridurre costi e tempi.
Un’altra sfida è come guadagnare rapidamente la fiducia del pubblico sulla sicurezza di questa tecnologia in rapida espansione. Finora, non è chiaro se ciò sia stato raggiunto.
Ci sono opinioni che suggeriscono che le preoccupazioni relative alla nanotecnologia possano essere esagerate. Si fa notare che solo perché un materiale è a livello nanometrico, non implica necessariamente un pericolo; le nanoparticelle esistono in natura da sempre, ad esempio nell’attività vulcanica e negli spruzzi di mare.
Il National Cancer Institute degli Stati Uniti afferma che ci sono così tante nanoparticelle naturali nell’ambiente che i loro livelli sono spesso superiori di ordini di grandezza rispetto alle particelle ingegnerizzate oggetto di valutazione. Per molti aspetti, sottolineano che la maggior parte delle nanoparticelle ingegnerizzate è molto meno tossica di prodotti per la pulizia domestica, insetticidi per animali domestici e rimedi contro la forfora da banco, e che, ad esempio, le nanoparticelle utilizzate come vettori per i chemioterapici nel trattamento del cancro risultano molto meno tossiche dei farmaci che trasportano.
Nel settore alimentare, abbiamo visto alcune delle più grandi espansioni di nanomateriali a livello commerciale. Sebbene il numero di alimenti contenenti nanomateriali sia ancora ridotto, appare destinato a crescere nei prossimi anni con lo sviluppo della tecnologia. I nanomateriali sono già utilizzati per ridurre grassi e zuccheri senza alterare il sapore, migliorando la freschezza degli alimenti o informando i consumatori sulla loro deteriorazione. Vengono inoltre utilizzati per aumentare la biodisponibilità dei nutrienti, ad esempio negli integratori alimentari.
Tuttavia, alcuni attori del settore sottolineano che, mentre la ricerca avanza rapidamente e il mercato dei nanomateriali si sviluppa, non si sta facendo abbastanza per comprendere le loro conseguenze tossicologiche.
Questo è il parere di un comitato scientifico e tecnologico della Camera dei Lord del Parlamento britannico, che in una recente relazione sulle nanotecnologie e il cibo, ha sollevato varie preoccupazioni riguardo ai nanomateriali e alla salute umana, in particolare il rischio associato ai nanomateriali ingeriti.
Un’area di preoccupazione per il comitato è la dimensione e la mobilità eccezionali delle nanoparticelle: esse sono così piccole da poter penetrare nelle membrane cellulari del rivestimento intestinale, accedendo al cervello e ad altre parti del corpo, e persino ai nuclei delle cellule.
Un’altra preoccupazione riguarda la solubilità e la persistenza dei nanomateriali. Cosa accade, ad esempio, alle nanoparticelle insolubili? Se non possono essere scomposte e digerite o degradate, c’è il rischio che si accumulino e danneggino gli organi? I nanomateriali contenenti ossidi metallici e metalli sembrano rappresentare il rischio più alto in questo contesto.
Inoltre, a causa del loro elevato rapporto superficie-massa, le nanoparticelle sono altamente reattive e possono innescare reazioni chimiche ancora non comprese, o legarsi a tossine, consentendo loro di entrare in cellule che altrimenti non avrebbero accesso.
Per esempio, grazie alla loro ampia area superficiale, reattività e carica elettrica, i nanomateriali possono causare «aggregazione delle particelle» a causa di forze fisiche e «agglomerazione delle particelle» per forze chimiche, portando a formazioni di nanoparticelle maggiori. Ciò può non solo generare particelle significativamente più grandi nel tratto intestinale, ma potrebbe anche causare la disaggregazione di gruppi di nanoparticelle, alterando radicalmente le loro proprietà chimico-chimiche e la reattività.
Questi fenomeni reversibili complicano ulteriormente la comprensione del comportamento e della tossicologia dei nanomateriali, afferma il comitato, la cui conclusione generale è che né il governo né i consigli di ricerca stanno dando sufficiente priorità alla ricerca sulla sicurezza delle nanotecnologie, considerando anche «il valore entro cui i prodotti contenenti nanomateriali possono essere sviluppati».
Si raccomandano molte più ricerche per «assicurare che le normative possano valutare efficacemente la sicurezza dei prodotti prima che siano autorizzati sul mercato».
Pertanto, è necessario investigare il potenziale rischio che la nanotecnologia presenta per la salute umana, reale o percepito. La maggior parte dei nanomateriali, come suggerisce il NCI, si rivelerà probabilmente innocua.
Tuttavia, quando una tecnologia avanza rapidamente, la conoscenza e la comunicazione sulla sua sicurezza devono tenere il passo per garantire fiducia, in particolare per evitare errori simili a quelli avvenuti con gli alimenti geneticamente modificati.
Scritto da Catharine Paddock PhD
