La nanotecnologia, la manipolazione della materia a scala atomica e molecolare per creare materiali con proprietà straordinariamente diverse e nuove, è un’area di ricerca in rapida espansione con un enorme potenziale in molti settori, che vanno dalla ricostruzione sanitaria all’elettronica. In medicina, promette di rivoluzionare il rilascio di farmaci, la terapia genica, la diagnostica e molte aree di ricerca, sviluppo e applicazione clinica.
Questo articolo non tenta di coprire l’intero campo, ma offre, attraverso alcuni esempi, alcuni approfondimenti sulle hownanotechnology che hanno il potenziale per cambiare la medicina, sia nel laboratorio di ricerca che clinicamente, mentre si toccano alcune delle sfide e le preoccupazioni che esso solleva.
Cos’è la nanotecnologia?
Il prefisso “nano” deriva dal greco antico per “nana”. Nella scienza significa un miliardesimo (10 al meno 9) di qualcosa, quindi un nanometro (nm) è un miliardesimo di metro, o 0,000000001 metri. Un nanometro ha una larghezza di circa 3-5 elementi, o 40.000 volte più piccolo dello spessore dei capelli umani. Un virus ha in genere una dimensione di 100 nm.
La capacità di manipolare strutture e proprietà su scala nanometrica in medicina è come avere un banco di laboratorio sub-microscopico su cui è possibile gestire componenti cellulari, virus o pezzi di DNA, utilizzando una gamma di piccoli strumenti, robot e tubi.
Manipolazione del DNA
Le terapie che coinvolgono la manipolazione dei singoli geni, o le vie molecolari che influenzano la loro espressione, sono sempre più indagate come un’opzione per il trattamento delle malattie. Uno degli obiettivi più ricercati in questo campo è la capacità di personalizzare i capi in base alla composizione genetica dei singoli pazienti.
Ciò crea la necessità di strumenti che aiutino gli scienziati a sperimentare e sviluppare tali trattamenti.
Immaginiamo, per esempio, di poter allungare una sezione di DNA come una ciocca di spaghetti, in modo da poterli esaminare o operare su di essa, o costruire nanorobot in grado di “camminare” ed eseguire riparazioni all’interno di componenti cellulari. La nanotecnologia sta portando questo sogno scientifico più vicino alla realtà.
Ad esempio, gli scienziati dell’Università Nazionale Australiana sono riusciti ad attaccare le perle di lattice rivestite alle estremità del DNA modificato, e quindi usando una “trappola ottica” comprendente un fascio di luce focalizzato per tenere le perle in posizione, hanno allungato il filo del DNA in per studiare le interazioni di specifiche proteine leganti.
Nanobot e Nanostars
Nel frattempo i chimici della New York University (NYU) hanno creato un robot su scala nanometrica da frammenti di DNA che cammina su due gambe lunghe appena 10 nm. In un articolo del 2004 pubblicato sulla rivista Nano Letters, descrivono come il loro “nanowalker”, con l’aiuto di molecole di psoraleni attaccate alle estremità dei suoi piedi, compie i suoi primi piccoli passi: due avanti e due dietro.
Uno dei ricercatori, Ned Seeman, ha detto che immagina che sarà possibile creare una linea di produzione su scala di molecole, dove si muove una molecola fino a raggiungere la giusta posizione, e un nanobot fa un po ‘di chimica su di esso, piuttosto come “spot” “saldatura” sulla linea di assemblaggio degli acari. Il laboratorio di Seeman alla New York University sta anche cercando di utilizzare la nanotecnologia del DNA per creare un computer biochip e per scoprire come cristallizzare le molecole biologiche, un’area attualmente piena di sfide.
Il lavoro che Seeman e colleghi stanno facendo è un buon esempio di “biomimetica”, dove con la nanotecnologia possono imitare i processi biologici in natura, come il comportamento del DNA, ingegnerizzare nuovi metodi e forse persino improvvisare.
Nanobot basati sul DNA sono stati creati per colpire le cellule tumorali. Ad esempio, i ricercatori della Harvard Medical School negli Stati Uniti hanno recentemente dichiarato in Science come hanno fatto un “origami nanorobot” dal DNA per trasportare un carico utile molecolare. Il nanobot a forma di barilotto può trasportare istruzioni molecolari che fanno sì che le cellule si comportino in un modo particolare. Nel loro studio, il team dimostra con successo come sono state rilasciate le molecole che attivano il suicidio cellulare nelle cellule di leucemia e linfoma.
Anche i nanobot realizzati con altri materiali sono in fase di sviluppo. Ad esempio, l’oro è il materiale che gli scienziati della Northwestern University utilizzano per realizzare “nanostars”, nanoparticelle semplici, specializzate ea forma di stella in grado di fornire farmaci direttamente ai nuclei delle cellule tumorali. Nella carta aresiderata sulla rivista ACS Nano, descrivono come i nanostar carichi di droga si comportano come piccoli autostoppisti, che dopo essere stati attratti da una proteina sovraespressa sulla superficie delle cellule tumorali cervicali e ovariche umane, depositano il loro carico utile a destra nei nuclei di quelle cellule .
I ricercatori hanno scoperto che dare il loro nanobot alla forma di una stella ha aiutato a superare una delle sfide dell’uso di nanoparticelle per la produzione di droghe: come rilasciare le droghe con precisione. Dicono che la forma aiuta a concentrare gli impulsi di luce usati per rilasciare i thedrug proprio nei punti della stella.
Nanofarmaci che producono droghe in situ
Gli scienziati stanno scoprendo che i farmaci a base di proteine sono molto utili perché possono essere programmati per fornire segnali specifici. Ma il problema con la consegna convenzionale di tali farmaci è che il corpo rompe la maggior parte di loro prima che raggiungano la loro destinazione.
Ma se fosse possibile produrre tali farmaci in situ, proprio nel sito target? Bene, in un recente numero di NanoLetters, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti mostrano come sia possibile fare proprio questo. In prova di principio, dimostrano la fattibilità di “nanofabbriche” autoassemblanti che producono composti proteici, su richiesta, nei siti target. Finora hanno testato l’idea nei topi, creando nanoparticelle programmate per produrre una proteina fluorescente Eithergreen (GFP) o luciferasi esposta alla luce UV.
Il team del MIT ha avuto l’idea mentre cercava di trovare un modo per attaccare i tumori metastatici, quelli che crescono da cellule tumorali che sono migrate dal sito originale ad altre parti del corpo. Oltre il 90% dei decessi per cancro è dovuto al cancro metastatico. Attualmente stanno lavorando su nanoparticelle in grado di sintetizzare potenziali farmaci antitumorali e anche su altri modi per accenderli.
nanofibre
Le nanofibre sono fibre con un diametro inferiore a 1.000 nm. Le applicazioni mediche includono materiali speciali per medicazioni di ferite e tessuti chirurgici, materiali usati negli impianti, ingegneria tissutale e componenti di organi artificiali.
Anche le nanofibre in carbonio sono promettenti per l’imaging medico e strumenti di misurazione scientifica precisi. Ma ci sono delle grandi sfide da superare, una delle principali è come renderle coerenti con le dimensioni corrette. Storicamente, questo ha richiesto molto tempo e molto tempo.
Ma l’anno scorso, i ricercatori della North Carolina State University hanno rivelato come avevano sviluppato un nuovo metodo per fabbricare nanofibre in carbonio di dimensioni specifiche. Scrivendo in ACS Applied Materials & Interfaces nel marzo 2011, 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 con parti funzionali che si legano direttamente ai metalli.
Le nanoparticelle di nichel sono particolarmente interessanti perché a temperature elevate aiutano a crescere le nanofibre di carbonio. I ricercatori hanno anche scoperto che c’era un altro vantaggio nell’uso di queste nanoparticelle, che potevano definire dove le nanofibre sono cresciute e, grazie al corretto posizionamento delle nanoparticelle, potevano far crescere le nanofibre in un modello specifico desiderato: una caratteristica importante per i materiali utilinanoscali.
Il piombo è un’altra sostanza che trova impiego come nanofibre, tanto che il neurochirurgo Matthew MacEwan, che sta studiando alla Washington University School of Medicine di St. Louis, ha avviato la propria società di nanomedicina mirata a rivoluzionare la rete chirurgica che viene utilizzata nelle sale operatorie di tutto il mondo.
Il prodotto di punta è un polimero sintetico che comprende singoli filamenti di nanofibre ed è stato sviluppato per riparare lesioni cerebrali e spinali, ma MacEwan pensa che potrebbe anche essere usato per riparare ernie, fistole e altre lesioni.
Attualmente, le maglie chirurgiche utilizzate per riparare la membrana protettiva che copre il cervello e il midollo spinale sono fatte di materiale spesso e polistirolo, che è difficile da lavorare. La rete in nanofibre di piombo è più sottile, più flessibile e più facilmente integrabile con i tessuti del corpo, afferma MacEwan. Ogni filo della rete in nanofibre è migliaia di volte più piccolo del diametro di una singola cellula. L’idea è di usare il materiale in nanofibre non solo per rendere più facili le operazioni da eseguire per i chirurghi, ma anche per le complicazioni post-operatori per i pazienti, perché si rompe naturalmente nel tempo.
I ricercatori del Polytechnic Institute of New York University (NYU-Poly) hanno recentemente dimostrato un nuovo modo di utilizzare le makenanofibre con le proteine. Scrivendo di recente sulla rivista Advanced Functional Materials, i ricercatori affermano di aver incrociato il loro reperto quasi per caso: studiavano certe proteine a forma di cilindro derivate dalla cartilagine, quando hanno notato che in alte concentrazioni alcune delle proteine si riunivano spontaneamente e si autoassemblavano intonanofibers.
Eseguirono ulteriori esperimenti, come l’aggiunta di amminoacidi riconoscibili dal metallo e diversi metalli, e scoprirono che potevano controllare la formazione di fibre, alterarne la forma e il modo in cui si legava a piccole molecole. Ad esempio, l’aggiunta di nichel ha trasformato le fibre in materassini raggruppati, che potrebbero essere utilizzati per attivare il rilascio di una molecola di farmaco collegata.
I ricercatori sperano che questo nuovo metodo possa migliorare notevolmente la somministrazione di farmaci per il trattamento del cancro, dei disturbi cardiaci e della malattia di Alzheimer. Possono anche vedere applicazioni nella rigenerazione del tessuto umano, delle ossa e della cartilagine, e anche come mezzo per sviluppare microprocessori più potenti e più potenti da utilizzare nei computer e nell’elettronica di consumo.
Un’illustrazione schematica che mostra come nanoparticelle o altri farmaci antitumorali potrebbero essere usati per trattare il cancro. Questa illustrazione è stata realizzata per il Manuale Opensource di Nanoscienza e Nanotecnologia
Cosa del futuro e dei problemi che circondano i nanomateriali?
Gli ultimi anni hanno visto un’esplosione nel numero di studi che mostrano la varietà di applicazioni mediche della nanotecnologia e dei nanomateriali. In questo articolo abbiamo intravisto solo una piccola sezione trasversale di questo vasto campo. Tuttavia, su tutta la gamma, esistono sfide considerevoli, la più grande delle quali sembra essere come aumentare la produzione di materiali e strumenti e come ridurre i costi e i tempi.
Ma un’altra sfida è come ottenere rapidamente la fiducia dell’opinione pubblica sul fatto che questa tecnologia in rapida espansione sia sicura. E finora non è chiaro se ciò sia stato fatto.
Ci sono quelli che suggeriscono che le preoccupazioni sulla nanotecnologia potrebbero essere esagerate. Indicano il fatto che solo perché l’amateriale è nanosato, non significa che sia pericoloso, anzi le nanoparticelle sono state intorno sin dalla nascita della Terra, che si verificano naturalmente in cenere vulcanica e spruzzi di mare, per esempio. Come sottoprodotti dell’attività umana, sono stati presenti sinceramente all’età della pietra, in fumo e fuliggine.
Dei tentativi di investigare la sicurezza dei nanomateriali, il National Cancer Institute negli Stati Uniti afferma che ci sono così maninanoparticelle naturalmente presenti nell’ambiente che sono “spesso a livelli di ordine di magnitudo più elevati rispetto alle particelle ingegnerizzate oggetto di valutazione”. Per molti aspetti, sottolineano, “la maggior parte delle nanoparticelle ingegnerizzate sono molto meno tossiche dei prodotti per la pulizia domestica, degli insetticidi usati sugli animali domestici e dei rimedi contro la forfora da banco” e che, ad esempio, nel loro uso gli ascarriers dei chemioterapici nel trattamento del cancro sono molto meno tossici dei farmaci che portano.
È forse più nel settore alimentare che abbiamo visto alcune delle più grandi espansioni di nanomateriali a livello commerciale. Sebbene il numero di alimenti contenenti nanomateriali sia ancora piccolo, sembra destinato a cambiare nei prossimi anni con lo sviluppo della tecnologia. I nanomateriali sono già utilizzati per abbassare i livelli di grassi e zuccheri senza alterare il gusto, o per improvvisare il cibo per mantenere il cibo più fresco più a lungo, o per dire ai consumatori se il cibo è rovinato. Inoltre, vengono utilizzati per aumentare la biodisponibilità dei nutrienti (ad esempio negli integratori alimentari).
Ma ci sono anche parti interessate, che sottolineano che mentre il ritmo della ricerca accelera, e il mercato dei paesi con nanomateriali, sembra che non si stia facendo abbastanza per scoprire le loro conseguenze tossicologiche.
Questa era l’opinione di un comitato scientifico e tecnologico della Camera dei Lord del Parlamento britannico, che in una recente relazione sulle nanotecnologie e il cibo, sollevano diverse preoccupazioni sui nanomateriali e sulla salute umana, in particolare il rischio posto dai nanomateriali inanellati.
Ad esempio, un’area che riguarda il comitato è la dimensione e la mobilità eccezionale delle nanoparticelle: sono abbastanza piccole, se ingerite, per penetrare nelle membrane cellulari del rivestimento dell’intestino, con la possibilità di accedere al cervello e ad altre parti del corpo e anche all’interno dei nuclei delle cellule.
Un altro è la solubilità e la persistenza dei nanomateriali. Cosa succede, ad esempio, alle nanoparticelle insolubili? Se non possono essere scomposti e digeriti o degradati, c’è il pericolo che si accumulino e danneggino gli organi? Si ritiene che i nanomateriali contenenti ossidi metallici e metalli siano quelli che più probabilmente rappresentano un rischio in questo settore.
Inoltre, a causa del loro elevato rapporto tra superficie e massa, le nanoparticelle sono altamente reattive e possono, ad esempio, innescarsi come reazioni chimiche non ancora conosciute, o legarsi con le tossine, permettere loro di entrare in celle che altrimenti non avrebbero accesso.
Per esempio, con la loro ampia area superficiale, reattività e carica elettrica, i nanomateriali creano le condizioni per ciò che è descritto come “aggregazione di particelle” a causa di forze fisiche e “agglomerazione di particelle” dovute a forze chimiche, così che singole nanoparticelle si uniscono per formare quelle più grandi. Ciò può portare non solo a particelle drammaticamente più grandi, ad esempio nel gutand all’interno delle cellule, ma potrebbe anche provocare la disaggregazione di gruppi di nanoparticelle, che potrebbero alterare radicalmente le loro proprietà chimico-chimiche e la reattività chimica.
“Tali fenomeni reversibili si aggiungono alla difficoltà di comprendere il comportamento e la tossicologia dei nanomateriali”, afferma il comitato, la cui conclusione generale è che né il governo né i consigli di ricerca danno una priorità sufficiente alla ricerca sulla sicurezza delle nanotecnologie, in particolare “considerando il valore entro cui i prodotti contenenti possono essere sviluppati nanomateriali “.
Raccomandano molte più ricerche per “assicurare che le normative possano valutare efficacemente la sicurezza dei prodotti prima che siano consentiti sul mercato”.
Sembrerebbe, quindi, se reale o percepito, il potenziale rischio che la nanotecnologia pone alla salute umana deve essere investigato, e essere visto per essere indagato. La maggior parte dei nanomateriali, come suggerisce il NCI, probabilmente si rivelerà innocua.
Ma quando una tecnologia avanza rapidamente, la conoscenza e la comunicazione sulla sua sicurezza devono tenere il passo per renderla più adatta, soprattutto se è anche per garantire la fiducia del pubblico. Dobbiamo solo guardare a quello che è successo, e in una certa misura sta ancora peggiorando, con il cibo geneticamente modificato per vedere come può andare male.
Scritto da Catharine Paddock PhD
