L’evoluzione della medicina del 21° secolo.
Il termine nanoscienza si riferisce alla scienza che tratta l’infinitesimale. Essa tratta lo studio sia dei fenomeni sia della manipolazione di materiali su scala atomica, molecolare e macromolecolare le cui proprietà differiscono significativamente da quelle possedute su scale maggiori. In termini di nanoscala, particelle differenti, atomi e metalli si comportano in modo completamente differente. La nanotecnologia è la creazione di materiali funzionali, dispositivi e sistemi mediante la comprensione e il controllo della materia con dimensioni nella lunghezza di una scala nanometrica intendendo tutte quelle tecnologie che comportano la progettazione, la caratterizzazione e l’applicazione di strutture, congegni, sistemi a dimensioni nanometriche. Nel mondo “nano” la scala di misura è nanometrica e un nanometro corrisponde a un milionesimo di millimetro. Se consideriamo che un pallone da calcio è circa 10 milioni di volte più piccolo della terra, mentre i fullereni (scoperti nel 1975) che sono molecole sferiche vuote al centro, composte da atomi di carbonio (figura 1), sono un bilione di volte più piccole di un pallone, si può quindi parlare di nanoscala che è molto più piccola delle cellule e dei batteri (figura 2).
Per esempio, un micron cubico di acqua contiene circa 90 bilioni di atomi, tenuto conto che il nanometro è un millesimo di micron. I globuli rossi che hanno un diametro medio di 7 micron hanno, ad esempio, un diametro di 7000 nanometri. Con quest’ottica è possibile progettare e costruire nuovi materiali o macchine che prima erano inipotizzabili. La particolarità di questo mondo non è solo nella scala delle dimensioni, ma anche nelle proprietà dei nanomateriali completamente differenti da quelle possedute se considerati in scale di dimensionali nettamente superiori. Il mercato dei nanomateriali è in grandissima espansione e nei prossimi anni la sua crescita esploderà in maniera esponenziale. Il settore in cui si avranno le più grandi opportunità è certamente nella cura della salute. Poiché le nanostrutture artificiali sono della stessa grandezza delle entità biologiche, esse possono facilmente interagire con le biomolecole sia sulla superfice cellulare sia all’interno della cellula stessa. Negli Usa, la nanotecnologia in medicina ha visto gli albori agli inizi degli anni ’90 con le nanomedicine che oggi vengono utilizzate quali meccanismi analitici per targhettare farmaci e per sistemi di somministrazione farmacologica, nella diagnostica per immagini, quali ad esempio l’ultrasonografia e la risonanza magnetica nucleare per ottenere immagini migliori, grazie ad un maggiore contrasto e a visualizzazioni selettive, per l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa e per i processi diagnostici al fine di determinare il trattamento più efficace. Il trattamento della patologia oncologica rappresenta l’area terapeutica più vasta per le nanomedicine, in corso di approvazione sia per sviluppare le cure per malattie tradizionalmente incurabili mediante l’uso di nanotecnologie sia per fornire un cura più efficace con minori effetti collaterali mediante sistemi di somministrazione farmacologica targhettata. A vantaggio della terapia chemioterapica, la nanomedicina permetterebbe l’uso di nanoparticelle polimerizzate per combinarsi coi marcatori specifici nelle cellule cancerogene. Le nanoparticelle circolano nei vasi sanguigni fintanto che raggiungono le cellule target e solo allora viene rilasciato il farmaco interessando pertanto solo i tessuti cancerogeni e non quelli limitrofi. Proprio grazie alla piccolezza delle nanoparticelle, queste possono passare attraverso spazi tra i differenti tipi di cellule. Poiché le cellule cancerogene tipicamente hanno spazi interstiziali più larghi delle cellule normali, le nanoparticelle si collocano nel centro permettendo al farmaco di aggredire il tumore dall’interno verso l’esterno (figura 3) tipi di cellule concentrandosi al centro del tumore.
Questa metodica permetterebbe pertanto la somministrazione di dosi farmacologiche più elevate e più efficaci preservando però le cellule sane.
I vantaggi teorici delle nanoparticelle, che hanno proprietà non usuali che possono essere sfruttate per modificare la cinetica di un farmaco, sono legati a una maggiore solubilità, a una maggiore durata di esposizione al farmaco, all’esposizione del farmaco intrappolato nella nanoparticella nel sito bersaglio, a un maggior indice terapeutico e alla potenzialità di sviluppare una minore resistenza nell’uso cronico.
La nanomedicina può anche essere molto efficace per combattere le sepsi in quanto il trattamento di infezioni batteriche resistenti a molti farmaci è una grande sfida per la medicina. Sempre negli Usa sono state sviluppate delle nanoparticelle peptidiche che possono trattare le infezioni che non rispondono agli antibiotici convenzionali. Nanofattorie biologiche vengono ingegnerizzate per triggherare comunicazione tra diverse popolazioni di batteri dal momento che le nanofattorie possono combattere i batteri che possono comportare un’infezione prima che le cellule batteriche prolifichino in maniera tale da diventare pericolose. In altre parole si creerebbe una risposta ad un sistema immunitario naturale capace di bloccare l’infezione batterica senza l’utilizzo di farmaci.
Visto sotto l’ottica della nanoscala, l’argento può essere usato per combattere l’infezione in una grande varietà di modi. Infatti gli ioni d’argento possono facilmente raggiungere il nucleo del germe dove è localizzata la catena del gene vitale. Quando gli ioni d’argento si combinano con questi geni, essi si paralizzano e pertanto risulterebbero incapaci di replicarsi. Più recentemente è stato scoperto che l’argento, quando legato all’ossigeno, può folgorare il germe.
L’uso delle nanotecnologie può anche essere applicato ai cateteri trattati con antisettici e rivestire gli stessi per prevenire la diffusione dell’infezione. I nanoantibiotici possono anche essere utilizzati quale alternativa superiore per i trattamenti esistenti nelle infezioni cerebrali. Infatti la membrana cerebrale non è penetrabile dalla maggior parte degli antibiotici convenzionali perchè la struttura molecolare della maggior parte dei farmaci è troppo grande per attraversare la barriera emato-encefalica mentre le nanoparticelle peptidiche la possono attraversarla senza difficoltà e quindi fungere da carrier per farmaci sia idrofobici (cioè respinti dall’acqua) che idrofilici (cioè che si legano all’acqua), permettendo al nanoantibiotico di raggiungere le aree infette del cervello che richiedono il trattamento.
I nanosensori ovvero sensori chimici o biologici che convogliano informazioni a livello molecolare, potendo notare variazioni di volume o concentrazioni o spostamento e forze gravitazionali o elettriche o magnetiche o pressorie o termiche delle cellule, potrebbero riconoscere le cellule tra di loro, evidenziando in particolare quelle cancerose. L’impiego delle tecnologie di derivazione microelettronica ha consentito la miniaturizzazione dei nano-bio-sensori, il che ha portato alla messa a punto di matrici (array) di sensori altamente integrati, in grado di estrarre informazioni da piccoli campioni e di effettuare diverse misurazioni in parallelo su un singolo campione (figura 4).
I progressi della tecnologia microelettromeccanica (Mems) hanno consentito lo sviluppo di sensori che coinvolgono la trasduzione di energia meccanica basandosi principalmente su fenomeni meccanici. Tale area di ricerca interessantissima nel campo dei microdispositivi che possono accumulare il farmaco e rilasciarlo a domanda, possedendo un microchip di dimensioni piccolissime, contenente un sensore, offrirà una potenzialità senza precedenti per lo sviluppo di una produzione di massa di sensori estremamente sensibili e per l’analisi rapida di sostanze chimiche e diverse specie biologiche a costo ridotto.
Le nanotecnologie applicate alla ricerca in tema di salute sono in grado di offrire soluzioni in un certo senso rivoluzionarie. La diagnosi precoce, i trattamenti “intelligenti” e l’attivazione di meccanismi di auto-risanamento sono tra i principali obiettivi sulla strada dell’evoluzione della salute. La nanomedicina, in evoluzione, spazia da nanoparticelle per la diagnostica molecolare all’imaging, fino a terapie a micro e nano e sistemi medicali integrati con l’obiettivo di eseguire nell’immediato futuro, complesse azioni di riparazione a livello cellulare all’interno del corpo.
Mentre la nanodiagnostica ha l’obiettivo finale di identificare la malattia il più precocemente possibile, idealmente a livello della sua manifestazione in una singola cellula, le nanotecnologie possono offrire strumenti di diagnostica con caratteristiche di migliore sensibilità, specificità e affidabilità, oltre alla possibilità di registrare diverse misure in parallelo o di integrare diverse fasi analitiche, dalla preparazione del campione fino alla rilevazione in un unico dispositivo miniaturizzato. Grazie alle micro e nanotecnologie, il dispositivo potrebbe contenere a bordo abbastanza “intelligenza” e automazione da poter essere utilizzato dal paziente stesso e fornire una moltitudine di informazioni al medico. La miniaturizzazione (per assicurare minore invasività) e la biologica localizzazione degli strumenti diagnostici, contribuiranno ad aumentare la capacità di accettazione all’interno del corpo umano.
Armando Ferraioli
bioingegnere – Studio di Ingegneria Medica – Cava de’ Tirreni (SA)
