Nanomateriali magnetici ad alta efficienza che non compromettono la sicurezza biologica
I nanoenzimi magnetici a base di ossido di ferro sono una nuova classe di enzimi artificiali che imitano perfettamente quelli naturali e, inoltre, detengono la capacità unica di venire guidati e recuperati con facilità mediante l’impiego di campi magnetici esterni; ciononostante, prevedere e controllare la loro selettività, solidità, riproducibilità e sicurezza biologica in contesti reali rappresenta una sfida. Finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), il progetto NESTOR(si apre in una nuova finestra) è stato avviato per superare questo ostacolo. «Invece di limitarci a sintetizzare diversi materiali costituiti da nanoparticelle per ottimizzarne le singole proprietà, ci siamo concentrati sullo studio delle modalità attraverso cui ingegnerizzare le superfici di ossido di ferro al fine di poter controllare l’attività catalitica, la risposta magnetica e la sicurezza biologica all’interno di un’unica piattaforma di materiale», osserva Gerardo F. Goya, il coordinatore del progetto.
Dalle sperimentazioni empiriche a un modello progettuale
Per raggiungere questo obiettivo, NESTOR ha abbandonato l’approccio puramente empirico basato su tentativi ed errori impiegato nel campo dei nanoenzimi per adottare un solido quadro meccanicistico. La ricerca ha rivelato il modo in cui le caratteristiche superficiali di una nanoparticella (carica atomica, difetti, rivestimenti e riscaldamento magnetico) determinano i percorsi chimici da essa utilizzati per generare o distruggere molecole reattive. Tra i tipi specifici di reazioni chimiche oggetto di studio figuravano processi simili a quelli di Fenton, alla perossidasi e alla catalasi. Questa comprensione è importante poiché un singolo materiale può comportarsi in modo molto diverso a seconda del pH, dell’aggregazione o dell’ambiente biologico circostante. Raffrontando le modalità tramite cui i cambiamenti nella distribuzione dei cationi, nello stato redox e nella struttura superficiale influenzano le prestazioni e la risposta biologica, il team è riuscito a prevedere comportamenti un tempo del tutto inaspettati. «Abbiamo capito sin dall’inizio che un’attività catalitica più intensa non è sempre sinonimo di risultati migliori. Poiché lo stress ossidativo è un meccanismo a doppio taglio, può essere sfruttato per l’azione antimicrobica, il risanamento ambientale e le terapie oncologiche; tuttavia, deve essere controllato con attenzione per prevenire danni cellulari indesiderati», spiega G. Goya. «Per raggiungere un equilibrio realistico e sicuro tra prestazioni chimiche e biocompatibilità, abbiamo valutato sistematicamente la citotossicità e la genotossicità in modelli in vitro avanzati». Per mappare tale equilibrio, i ricercatori hanno abbinato questi test biologici a tecniche di caratterizzazione avanzate, tra cui la microscopia elettronica ad alta risoluzione, l’analisi spettroscopica e la magnetometria, applicando inoltre un approccio a più livelli che ha previsto la valutazione della capacità delle particelle di generare o modulare le specie reattive dell’ossigeno attraverso diversi livelli di complessità, dai saggi catalitici di base e il rilevamento dei radicali liberi fino ai test all’interno di cellule viventi.
Uno sguardo d’insieme alle nanoparticelle
«Il valore principale di NESTOR sta nell’aver messo in connessione la chimica fisica delle nanoparticelle magnetiche alle loro conseguenze biologiche: siamo riusciti a considerare i nanoenzimi non solo come catalizzatori, ma anche come materiali le cui proprietà superficiali, magnetiche e tossicologiche devono essere progettate congiuntamente», sottolinea il coordinatore. G. Goya spiega inoltre che la superficie di una nanoparticella funge da fitta matrice, indirizzabile magneticamente, di siti redox-attivi; modificando lo stato superficiale dell’ossido di ferro, i ricercatori possono controllare il modo in cui gli elettroni si trasferiscono alle specie reattive. «Poiché questi nanoenzimi sono magnetici, possono essere attivati, guidati, separati e riutilizzati mediante campi esterni, il che conferisce loro un enorme vantaggio pratico rispetto a molti catalizzatori convenzionali nei settori dell’assistenza sanitaria, del trattamento delle acque a fini ambientali e della biotecnologia industriale», aggiunge.
Sviluppare la produzione su larga scala e stringere nuove collaborazioni
I prossimi passi si concentreranno sullo sviluppo su ampia scala della produzione di materiale, sulla standardizzazione dei parametri di attività dei nanoenzimi e sul proseguimento delle convalide precliniche. «Forse l’eredità più duratura di NESTOR è il suo spirito collaborativo: la profonda qualità umana e la sinergia interdisciplinare dei partner hanno contribuito a superare complessi ostacoli amministrativi, dando al contempo vita ad almeno sette nuovi progetti collaborativi», conclude G. Goya.
