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Una perfetta nanostruttura simile a una gabbia potrebbe trasportare le molecole di farmaco all’interno delle cellule

Un team di scienziati finanziato dall’UE ha creato una piccola struttura poliedrica di dimensioni nanometriche che potrebbe fungere da contenitore di agenti terapeutici, in grado di infilarsi nelle cellule per rilasciarli al loro interno. La realizzazione di questa complessa, ma elegante, composizione larga solamente 10 nm potrebbe un giorno aiutare nella lotta contro il cancro.

Salute

La nanotecnologia offre un modo promettente di effettuare e controllare il rilascio di nuovi farmaci, nonché una straordinaria opportunità di modernizzare vecchi trattamenti migliorandone la sicurezza e l’efficacia. Le nanoparticelle funzionali che incapsulano molecole di farmaco possono rivelare selettivamente la propria azione terapeutica in prossimità del tessuto o della cellula bersaglio senza inondare di prodotto medicinale il flusso sanguigno.

Aiutare le nanoparticelle a somministrare i farmaci come previsto

L’obiettivo del progetto NanoIntra, che ha ricevuto finanziamenti nell’ambito del programma Marie Skłodowska-Curie, era abbattere un importante ostacolo alla traduzione in realtà della somministrazione controllata dei farmaci da parte delle nanoparticelle. Oltre a concretizzare un controllo e un rilascio più precisi degli agenti terapeutici a livello nanoscopico, dobbiamo comprendere dove viene trasportato il farmaco una volta che la nanoparticella penetra all’interno della cellula. In tal senso, è particolarmente rilevante notare che le molecole di farmaco possono diventare completamente inefficaci se restano negli endosomi. Fondendo competenze in diversi campi di studio, quali chimica, biologia e fisica, gli scienziati di NanoIntra hanno creato diverse nanoparticelle innovative tra cui punti quantici semiconduttori luminescenti, nanocristalli metallici plasmonici e nanoparticelle in silice per un’analisi di biorilevamento e bioimaging accurata. Successivamente, i ricercatori hanno funzionalizzato la loro superficie con ligandi organici per promuoverne l’assorbimento cellulare (endocitosi) e la conseguente fuoriuscita dagli endosomi. «Una parte importante del lavoro che abbiamo effettuato era orientata verso l’approfondimento dell’interazione tra i nanomateriali ibridi e le cellule. In definitiva, abbiamo concepito un nuovo approccio di funzionalizzazione superficiale che si avvale dell’impiego di ligandi zwitterionici. Regolando attentamente la densità dei ligandi, siamo riusciti a ottenere un buon equilibrio tra elevata stabilità colloidale e assorbimento cellulare efficiente», spiega Tangi Aubert, coordinatore di NanoIntra.

Un super-reticolo alla guida dell’autoassemblaggio delle nanoparticelle

Una delle scoperte più notevoli del progetto ha riguardato la formazione, effettuata ad opera delle nanoparticelle, di una nanostruttura simile a una gabbia caratterizzata da una simmetria dodecaedrica ben definita in condizioni particolari. «Gli studi hanno mostrato che le particelle di silice sono in grado di attraversare il corpo in modo semplice e sicuro per poi essere evacuate nelle urine, non rimanendo quindi bloccate nel fegato. Queste nanogabbie in silice potrebbero potenzialmente essere utilizzate come contenitori di farmaci antitumorali o come veicoli per il trasporto di molecole diagnostiche», osserva Aubert. Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica relativamente semplice per creare questa struttura poliedrica. Come modello, hanno immerso in una soluzione acquosa delle molecole di sapone che hanno formato delle piccole bolle chiamate micelle. I ricercatori hanno quindi aggiunto alla miscela un precursore di silice e hanno osservato la creazione di una struttura simile a una gabbia, determinata dalla graduale attrazione degli aggregati di silice formati dal precursore dotati di carica negativa verso la superficie del modello di micelle, caricato positivamente. Con sorpresa degli scienziati, questo processo si è verificato senza alcun intervento esterno: le nanoparticelle si sono autoassemblate attorno alle micelle. «Da una prospettiva fondamentale, le nanogabbie offrono un’opportunità unica di studiare approfonditamente le prime fasi dei meccanismi di crescita alla base dei materiali mesoporosi ordinati. L’osservazione dell’autoassemblaggio degli elementi costitutivi di dimensioni nanometriche in super-reticoli di gabbie in silice a due dimensioni rappresenta un ulteriore passo in questa direzione», aggiunge Aubert. Per riuscire a vedere queste sfuggenti nanogabbie, gli scienziati hanno impiegato la microscopia crioelettronica. Dopo aver analizzato tutti i diversi orientamenti delle strutture mediante l’utilizzo di algoritmi di apprendimento automatico, essi hanno ricostruito un dodecaedro perfetto.

Nanoparticelle spongiformi stampate in 3D

Le nanoparticelle porose sono dotate di aree superficiali ottimizzate che le rendono particolarmente utili per applicazioni «ospite-ospitante», quali il biorilevamento. Inoltre, esse sono in grado di controllare il rilascio delle molecole terapeutiche in modo migliore. Funzionalizzando la nanogabbia in silice con ligandi fotosensibili, gli scienziati di NanoIntra hanno stampato con successo materiali mesoporosi caratterizzati da una vasta superficie e da forme arbitrarie. «Collocando le gabbie in silice funzionalizzate con i ligandi nei punti desiderati del materiale mesoporoso stampato finale, possiamo costruire piattaforme bioanalitiche altamente efficienti», conclude Aubert.

Parole chiave

NanoIntra, nanogabbia, ligando, biorilevamento, molecole di farmaco, nanoparticelle di silice, mesoporoso, endosomi, autoassemblaggio

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