Nanomedicina, particelle intelligenti per terapie

Negli ultimi anni abbiamo assistito a un’esplosione delle tecniche di nanomedicina, che utilizzano cioè nanotecnologie per curare con precisione le malattie. Molte di queste tecniche sfruttano nanoparticelle come vettori per trasportare all’interno del corpo un farmaco o un agente diagnostico. Esistono però anche delle ricerche che indagano materiali con proprietà intelligenti, che possono essere utilizzati non solo come mezzo di trasporto ma anche come componenti attive a scopo terapeutico e diagnostico. Dello studio di questi nanomateriali si occupa l’unità di ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia dedicata alle Smart Bio-Interfaces, fondata da Gianni Ciofani all’interno dei laboratori Iit di Pontedera.

Particelle dalle proprietà “intelligenti”

Un esempio di queste nuove tecnologie è quello sperimentato, per esempio, nella cura del glioblastoma multiforme, un tumore cerebrale molto aggressivo e difficile da curare, anche per la difficoltà di raggiungere le cellule tumorali all’interno del cervello (e al di là della barriera emato-encefalica che impedisce che le sostanze immesse nella circolazione sanguigna raggiungano il cervello). In questo caso è stato usato un approccio misto, con nanoparticelle lipidiche (di per sé stesse composte da lipidi biocompatibili e biodegradabili) all’interno delle quali venivano inseriti sia farmaci tradizionali, sia particele di ossidi ferrosi che, sotto l’effetto di campi magnetici alternati, si surriscaldano fino a distruggere le cellule tumorali; un approccio definito ipertermia oncologica.

L’effetto di surriscaldamento può essere ottenuto, usando materiali diversi, anche utilizzando la radiazione infrarossa invece che campi magnetici. Un ulteriore tipo di particelle intelligenti sfrutta invece l’effetto piezoelettrico: producono cioè elettricità in presenza di stimoli meccanici. Questo effetto può essere utilizzato per portare stimoli elettrici all’interno del corpo senza la necessità di impiantare elettrodi; gli stimoli elettrici possono essere utili sia per stimolare neuroni e altri tessuti nervosi, sia ancora una volta per inibire la crescita di cellule tumorali.

Un terzo tipo di nanoparticelle intelligenti, i cosiddetti nanozimi, viene utilizzato per combattere lo stress ossidativo, cioè l’eccesso di radicali liberi che viene originato in varie situazioni patologiche e che danneggia le componenti della cellula. Sono state sperimentati vari tipi di nanoparticelle, tra cui ossidi di cerio e polidopamina, che fungono da antiossidanti distruggendo i radicali liberi, e che hanno effetto in modo più duraturo rispetto agli antiossidanti naturali (come le vitamine C ed E) normalmente usati, che si consumano rapidamente.

Nanomedicina per gli astronauti

Un filone ulteriore delle ricerche di Ciofani sullo stress ossidativo è quello della medicina spaziale. Gli astronauti, infatti, sono particolarmente soggetti a questo problema, a causa dell’effetto combinato della microgravità e delle radiazioni cosmiche, che modificano l’espressione dei geni nelle cellule corporee causando una sovrapproduzione di radicali liberi all’interno del corpo di chi si trova nello spazio. L’interesse di Ciofani per la medicina spaziale è nato per caso, quando era ancora studente universitario e decise di rispondere a un bando dell’Esa, l’Agenzia Spaziale Europea, per proporre esperimenti da svolgere in condizioni di microgravità; la sua proposta fu accolta, e da allora ha continuato a occuparsi di questo settore.

Per combattere lo stress ossidativo gli astronauti sono costretti ad assumere forti dosi di antiossidanti naturali, che come abbiamo visto però esauriscono il loro effetto dopo breve tempo. Le ricerche di nanomedicina spaziale si concentrano quindi sull’uso di nanoparticelle che possano combattere i radicali liberi con un’efficienza più prolungata.

Gli esperimenti non vengono svolti sugli astronauti, ma su colture di tessuto muscolare o nervoso, che vengono trasportate sulla Iss (stazione spaziale internazionale) per esporle a condizioni di microgravità, e verificare quindi l’effetto su di esse dei nanozimi.

Gli esperimenti avvengono all’interno di contenitori automatizzati, che vengono trasportati sulla stazione spaziale e posti all’interno di un incubatore. Al termine dell’esperimento, che di solito dura circa una settimana, il contenitore viene refrigerato a temperature molto basse (-80°C) e, alla prima occasione, riportati sulla Terra e recapitati al centro Iit di Pontedera per esaminarli. A gestire gli esperimenti è stato l’astronauta italiano Walter Villadei nel corso di tre diverse missioni sulla Iss.

Sperimentazioni in vitro e su organismi semplici

Non è solo nella medicina spaziale che le ricerche vengono effettuate sfruttando campioni di tessuto. Al contrario questa è una tecnica che viene utilizzata sempre più spesso prima di arrivare agli studi clinici veri e propri, poiché consente una maggiore efficienza ed economicità, e non comporta problemi etici, come, per esempio, la sperimentazione sugli animali. Per ottenere risultati utili, tuttavia, non sono sufficienti le statiche coltivazioni cellulari bidimensionali in vetrino che venivano un tempo utilizzate nei laboratori biologici. Oggi la sperimentazione in vitro prevede la creazione di veri e propri organ-on-a-chip, strutture biologiche tridimensionali e dinamiche in grado di riprodurre d vicino il funzionamento degli organi. Da questo punto di vista l’unità Smart Bio-Interfaces è all’avanguardia, avendo prodotto innovativi bioreattori fluidi multicellulari in grado di riprodurre l’ambiente del cervello o della barriera emato-encefalica.

Un’altra tecnica di sperimentazione che viene utilizzata è quella sui vermi piatti, le planarie, organismi molto semplici e dotati di enormi capacità di rigenerazione, che non fanno insorgere problemi etici e permettono di creare procedure standardizzate. Sulle planarie vengono condotti molti esperimenti sullo stress ossidativo, oltre che svariati altri test tossicologici e comportamentali.

Kidaria Bioscience, un’applicazione pratica

La creazione di startup a partire dalle ricerche svolte è nel Dna dell’Istituto Italiano di Tecnologia, e le Smart Bio-Interfaces non fanno eccezione. Nel 2022 è nata perciò Kidaria Biosciences, azienda spinoff di Iit dedicata alla produzione e commercializzazione di prodotti cosmetici e nutraceutici innovativi, ottenuti in modo sostenibile dagli scarti della produzione vinicola.

Al centro della produzione di Kidaria c’è sempre lo stress ossidativo: analizzando le vinacce prodotte a Monterosso, nelle Cinque Terre in Liguria, dalla torchiatura dell’uva dei tre vitigni locali (Albarola, Vermentino e Bosco), è stato verificato che contengono una quantità di molecole antiossidanti superiore rispetto alle altre varietà. È stato quindi brevettato un procedimento per estrarre queste sostanze dalle vinacce per uso cosmetico, che non richiede quindi né l’uso di solventi aggressivi, potenzialmente dannosi per la pelle, né passaggi ad alta temperatura, che notoriamente influenzano le proprietà antiossidanti delle biomolecole. Il risultato è un estratto, battezzato Dionisia, che è risultato molto efficace nel contrastare l’ossidazione della pelle. È infatti in grado di proteggere le cellule cutanee dai radicali liberi, con una diminuzione di circa l’80% di cellule affette da stress ossidativo. Kidaria provvede a monitorare le concentrazioni delle sostanze antiossidanti in ogni lotto di produzione, per garantire la qualità del prodotto.
Un approccio innovativo che valorizza un materiale di scarto che altrimenti avrebbe un numero limitato di utilizzi.

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*Marco Passarello, giornalista, caposervizio presso Tgr Rai Alto Adige.

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