Così le nanotecnologie reinventano i farmaci e i sistemi diagnostici

Il progetto “e-DOTS”, finanziato con 2,5 miliardi di euro per i prossimi cinque anni dall’Unione europea come ERC Advanced Grant, permetterà di approfondire le conoscenze sui nanodots. Da questi studi si potrebbero aprire interessanti prospettive per le applicazioni nel campo della medicina ma anche dell’energia. Dal numero 190 del magazine

La struttura delle nanoparticelle di carbonio e la loro formazione è rimasta per lungo tempo misteriosa. Il gruppo guidato dal professor Maurizio Prato, ordinario di chimica organica dell’Università degli studi di Trieste, ha studiato il processo di formazione dei nanodots approfondendo le caratteristiche strutturali, chimiche e fotofisiche di tali particelle. Per raggiungere tali risultati si è avvalso della collaborazione di Elettra Sincrotrone (Trieste) e CIC biomaGUNE (San Sebastian in Spagna).

Sebbene i nanodots siano stati scoperti per caso intorno alla metà degli anni duemila, deve essere ancora completamente svelata la loro natura. Uno dei requisiti per il progresso in questo campo è proprio un’approfondita caratterizzazione fisico-chimica dei nanomateriali. Le piccole particelle di carbonio sono tutt’ora al centro di numerose ricerche, date le interessanti proprietà chimico – fisiche che le caratterizzano. Le contraddistingue una spiccata biocompatibilità, la solubilità in acqua, la facilità di sintesi e la possibilità di apportare modificazioni funzionali alla superficie.

Origine e formazione

“La ricerca che tenta di svelare la modalità di formazione dei nanodots è al centro dell’interesse di numerosi gruppi di ricerca”, ha spiegato Maurizio Prato che ha appena pubblicato un paper su Nature Communication proprio sullo stesso argomento. Anche il suo gruppo di ricerca si è occupato dell’evoluzione delle nanoparticelle durante la loro sintesi. “Si parte da composti organici molto semplici e molto piccoli, che possono essere anche materiali di scarto. Ad esempio, le bucce di banana o le foglie di palma. Iniziare da composti puri ha il vantaggio di favorire il controllo della reazione e del suo andamento. Infatti i composti organici sono riscaldati ad alta temperatura, intorno ai 200-250°C. Iniziano così una combustione completa”.

La reazione porta alla formazione di due prodotti, dopo l’addensamento dei composti e la produzione di aggregati. Come prodotti secondari si formano polimeri che vanno eliminati per filtrazione. “Il prodotto principale della reazione sono piccoli aggregati caratterizzati da un nucleo centrale denso e duro, attorno a cui si organizza una superficie morbida e flessibile”.

La struttura dei nanodots doveva essere ancora confermata e gli studi del gruppo guidato da Prato hanno dato un importante contributo. I risultati infatti sono importanti per una comprensione completa del meccanismo di formazione dei nanodots. La conoscenza del processo di evoluzione permetterà di intervenire sulla formazione delle particelle, in modo da crearne versioni differenti per svariate applicazioni. Infatti, osservandone dimensioni, forma, luminescenza e gruppi funzionali presenti sulla loro superficie è possibile intervenire su ciascuno di questi aspetti.

Intervenire sulla luminescenza

Una delle proprietà più interessanti dei nanodots è la luminescenza. La luminescenza si manifesta grazie ai cosiddetti cromofori ospitati nel nucleo dei nanodots. La scoperta delle nanoparticelle è avvenuta casualmente, proprio in virtù dell’emissione luminosa che ha reso distinguibile la presenza di questi piccoli aggregati del carbonio.

I nanodots, formati con un meccanismo di sintesi simile a quello poc’anzi descritto, sono quasi sempre luminescenti. “La nostra sfida è modulare le caratteristiche della luminescenza. Abbiamo dimostrato che, a seconda del materiale di partenza, possiamo modificare le proprietà di luminescenza. Ciò significa che possiamo passare dal blu, che è il colore più semplice e naturale da ottenere per la luce emessa dai nanodots, ad altri colori. Ad esempio, possiamo ottenere il verde e il rosso. Siamo arrivati a formare nanodots che emettono luce bianca, che non è semplice da ottenere”.

La creazione della luminescenza bianca apre la strada anche ad applicazioni diverse da quelle biologiche, come la realizzazione di lampadine. Tuttavia, una delle applicazioni più naturali della luminescenza potrebbe essere l’ambito biologico. La biologia usa la fluorescenza e il colore per marcare composti, evidenziare comparti e seguire il destino di molecole. “Sfruttando la luminescenza è facile localizzare i nanodots per capire con cosa interagiscono e dove si collocano all’interno delle cellule”.

Prospettive per la diagnostica

Il fatto che i processi di sintesi permettano di controllare anche la composizione della superficie dei nanodots, consente di intervenire su localizzazione e tipologie di interazioni tra cellule e nanodots. Le membrane cellulari hanno caratteristiche peculiari legate alla composizione lipidica o alla presenza di specifici recettori. “Inserendo sulla superficie dei nanodots precise molecole funzionali possiamo favorire l’interazione delle nanoparticelle con diverse strutture e comparti della cellula. Possiamo intervenire sulle proprietà di superficie dei nanodots tramite reazioni di chimica organica, a seconda delle applicazioni che vogliamo perseguire”.

Un’ulteriore possibilità permette di inserire molecole estranee all’interno dei nanodots. Per renderli simili a navicelle capaci di trasportare sostanze. Una delle molecole che può essere inserita nei nanodots è il gadolinio, atomo usato nel liquido di contrasto della risonanza magnetica nucleare (RMN). Un paziente che si sottopone a una RMN per motivi diagnostici, riceve dosi elevate di un complesso del gadolinio. Tale elemento chimico è dotato di proprietà particolari che consentono di rilevare la presenza di acqua. I tessuti del nostro corpo contengono quantità diverse di acqua. Pertanto reagiscono in modo differente con il gadolinio, fornendoci immagini ad alta risoluzione.

“Il gadolinio può dar luogo a una certa tossicità così come viene somministrato nelle attuali applicazioni. Il complesso metallico che lo trattiene, talvolta rilascia il gadolinio durante il percorso intravenoso”, spiega Prato. “Ipotizziamo quindi di incapsulare l’atomo di gadolinio all’interno dei nanodots in modo da prevenirne il rilascio nel torrente ematico”. La modifica strutturale dei nanodots consente di immaginare come campo di applicazione promettente quello dello sviluppo di agenti di contrasto per la risonanza magnetica.

Nanodots come veicoli

Studi precedenti del laboratorio di Prato hanno dimostrato che è anche possibile legare molecole terapeutiche ai nanodots. Dunque le nanoparticelle di carbonio potrebbero essere un veicolo per il trasporto mirato dei farmaci, secondo i principi dell’intelligent drug delivery. Infatti, la combinazione tra le proprietà di superficie e la capacità di trasporto potrebbero assicurare il trasporto e il rilascio di farmaci a cellule bersaglio, riconosciute tramite sistemi di ancoraggio selettivo. Una simile applicazione potrebbe essere molto utile nel campo delle terapie oncologiche perché permetterebbe di risparmiare le cellule sane da trattamenti farmacologici pesanti.  “La ricerca clinica per i nanodots inizierà quando dimostreremo a pieno la loro utilità. Prevedere i tempi in cui entreranno sul mercato è complesso. Stiamo ancora svolgendo la ricerca di base. E, in generale, l’introduzione sul mercato dei prodotti farmacologici richiede tempi molto lunghi”, spiega Prato.

In cerca di sinergie con l’industria

Il percorso che porta alle applicazioni pratiche spesso parte dalla creazione di uno spin-off universitario che si occupi della produzione dei materiali. Poi è richiesto invece l’intervento di grandi player capaci di importanti investimenti negli studi clinici.

Uno degli elementi chiave affinché tale passaggio avvenga è che “la ricerca accademica e industriale procedano in sinergia in questo percorso” aggiunge Gianfranco Pasut ordinario di Tecnologia Farmaceutica presso l’Università di Padova e Chief Editor per la sezione di Nano-Based Drug Delivery di Frontiers in Medical Technologies. “Ciò assicura la progettazione della traslazionalità del materiale già nelle prime fasi dello sviluppo, tenendo conto anche della sostenibilità economica”. E questo discorso è valido per tutte le nanotecnologie.

Prevedere la tossicità

La strada che porta alle applicazioni cliniche dei nanodots è ancora lunga perché comprende anche la dimostrazione dell’assenza di tossicità di tali composti.

“È un campo di ricerca doveroso. È fondamentale capire se i nanodots sono davvero innocui, anche se gli studi preliminari sembrano dimostrarlo”, ha detto Prato. Il problema è che la composizione delle nanoparticelle in generale può essere alquanto variabile. Per questo è sempre necessario inserire studi puntuali sulla potenziale tossicità.

“Per verificare la sicurezza delle nanomedicine, la condizione ottimale sarebbe la presenza di saggi e soprattutto di un percorso sperimentale preclinico e clinico codificati che rispondano a linee guida indicate dagli enti regolatori”, spiega Pasut. “Tuttavia, pur nell’assenza di linee guida complete ed esaustive per tutte le nanomedicine, a causa della loro notevole differenza, le agenzie regolatorie sono disponibili per incontri mirati con le aziende. L’obiettivo è la realizzazione di un confronto costruttivo fin dalle fasi iniziali di sviluppo di un nuovo prodotto”.

Infatti, le linee guida sono cruciali per aiutare le aziende a selezionare il percorso più adeguato a verificare sicurezza ed efficacia dei loro prodotti. È un modo per ridurre il rischio di bocciature o rinvii causati da sperimentazioni incomplete o non adeguatamente programmate.

Le applicazioni future dei nanomateriali

L’Agenzia europea per i medicinali (Ema) classifica le nanotecnologie come quei sistemi di produzione e l’applicazione di strutture, dispositivi e sistemi che sono capaci di controllare forma e dimensioni dei materiali su scala nanometrica.

Sono varie le nanotecnologie che possono dare quindi un contributo importante alla nanomedicina. Trovano applicazioni in questo ambito della medicina nanoparticelle, liposomi, micelle, nanoemulsioni, coniugati polimero-proteina/farmaco, dendrimeri, nanocristalli, vescicole polimeriche, coniugati anticorpo-farmaco, nanogel, nanotubi.

“Ogni giorno vengono pubblicati nuovi articoli nelle riviste scientifiche dedicate, riguardanti nanomedicine sempre più avanzate. La sfida per il futuro è doppia. Da un lato sono necessari materiali intelligenti, capaci di rispondere a diversi stimoli esterni in modo da permettere, ad esempio, il rilascio del farmaco in modo selettivo nelle cellule bersaglio. Dall’altro lato è fondamentale continuare a migliorarne la biocompatibilità per garantire la loro sicurezza” ha spiegato Pasut.

Oncologia ma non solo

Alcune di queste nanotecnologie sono già approvate per la diagnostica o per uso terapeutico. E certamente, le conoscenze acquisite in un campo possono esser poi trasferite e sfruttate nell’ambito di altre patologie.

“Le applicazioni dei nanomateriali nell’ambito della terapie e delle diagnosi oncologiche sono le favorite”, continua Pasut. “La particolare attenzione e sensibilità dedicata a questa patologia porta ad avere una significativa presenza di enti finanziatori, necessari a sponsorizzare tali ricerche, che sono spesso estremamente costose”.

“È prevedibile che il prossimo ambito di sviluppo di nuove nanotecnologie sia quello cardiovascolare. Data l’incidenza e la rilevanza di queste patologie, sarà uno dei primi ad essere interessato da nuove terapie con nanomedicine”.

Aderenza terapeutica nel mirino

Le nanotecnologie vengono sviluppate anche per permettere nuove vie di somministrazione per farmaci già usati in terapia. “Farmaci che attualmente possono esser somministrati solo con una iniezione parenterale a causa delle loro caratteristiche chimico-fisiche, potrebbero esser somministrati per via orale o polmonare grazie ad approcci nanotecnologici innovativi” ha spiegato Pasut portando ad esempio la molecola dell’insulina.

Cambiare la via di somministrazione potrebbe garantire un’efficacia superiore dei farmaci o una migliore biodisponibilità. Ciò potrebbe significare anche una maggiore accessibilità attraverso le barriere biologiche. Inoltre potrebbe consentire di controllare la durata della circolazione del farmaco e la concentrazione ematica.

“Uno degli scopi della nanomedicina è pertanto quello di potenziare l’efficacia terapeutica e ridurre gli effetti collaterali, determinando un miglioramento dell’aderenza del paziente alle terapie” ha concluso Pasut.

Storia della nanomedicina

La nanomedicina è nata di recente. Le prime teorie sull’uso delle nanotecnologie in ambito medico nascono intorno agli anni ‘90 del secolo scorso. La mancanza di strumenti adeguati per rendere i nanocomposti visibili rendeva complicato il loro sviluppo. Dal 1931 in poi la capacità risolutiva è migliorata con il microscopio elettronico a trasmissione (TEM). La diffusione della microscopia ad alta risoluzione ha acceso i riflettori sulle nanoparticelle. Accanto alla difficoltà di visualizzazione dei nuovi materiali vi era anche il problema della loro produzione. Sono emerse, pertanto, due diverse strategie di sintesi. L’approccio top-down si basava sui suggerimenti di Feynman sulla riduzione graduale delle dimensioni di macchine e strumenti già esistenti. L’approccio bottom-up ruota attorno alla costruzione di nanostrutture atomo per atomo con metodi fisici e chimici. Oppure il medesimo metodo sfrutta la manipolazione controllata delle forze auto-organizzanti di atomi e molecole.

Alla fine degli anni ’60 Peter Paul Speiser sviluppò le prime nanoparticelle per la terapia farmacologica mirata. Negli anni ’70, Georges Jean Franz Köhler e César Milstein riuscirono a produrre anticorpi monoclonali. Da allora c’è stata un’intensa ricerca sulle possibili sintesi e usi di vari sistemi di trasporto e funzionalizzazione fisico-chimica della struttura superficiale delle nanoparticelle. All’inizio degli anni ’90, hanno modificato le nanoparticelle per il trasporto di frammenti di DNA e sono state introdotte nelle cellule con l’ausilio di anticorpi. La visione della nanoterapia del futuro è il trattamento dei pazienti con farmaci creati su misura e capaci di agire a livello molecolare, non appena la malattia è in fase di sviluppo.

“L’Unione europea sta finanziando progetti di ricerca tramite vari programmi. Molti di questi includono la valutazione di nanomedicine, dato che queste si applicano a quasi tutte le aree terapeutiche”, ha raccontato Pasut. “Gli Stati Uniti però rimangono ancora il faro in questo ambito. Non solo per quantità di finanziamenti ma anche per la vivacità della controparte industriale, che accetta più facilmente il rischio di scommettere sulle nuove tecnologie. L’Europa penalizzata non tanto dalla mancanza di capacità di innovare, ma dalla minore propensione al rischio e dalla maggiore rigidità in ambito legislativo”.