Applicazioni delle nanoparticelle in biologia e medicina

Ingegneria dei tessuti

La superficie dell’osso naturale contiene spesso delle caratteristiche di circa 100 nm. Se la superficie di un impianto osseo artificiale fosse lasciata liscia, il corpo cercherebbe di rigettarlo. A causa di questa superficie liscia è probabile che si produca un tessuto fibroso che copre la superficie dell’impianto. Questo strato riduce il contatto osso-impianto, che può provocare l’allentamento dell’impianto e ulteriori infiammazioni. È stato dimostrato che creando caratteristiche di dimensioni nano sulla superficie della protesi d’anca o di ginocchio si potrebbero ridurre le possibilità di rigetto e stimolare la produzione di osteoblasti. Gli osteoblasti sono le cellule responsabili della crescita della matrice ossea e si trovano sulla superficie di avanzamento dell’osso in sviluppo.

L’effetto è stato dimostrato con materiali polimerici, ceramici e, più recentemente, metallici. Più del 90% delle cellule ossee umane in sospensione hanno aderito alla superficie metallica nanostrutturata, ma solo il 50% nel campione di controllo. Alla fine questi risultati permetterebbero di progettare una sostituzione dell’anca o del ginocchio più resistente e duratura e di ridurre le possibilità che l’impianto si allenti.

Il titanio è un noto materiale di riparazione ossea ampiamente utilizzato in ortopedia e odontoiatria. Ha un’elevata resistenza alla frattura, duttilità e rapporto peso/forza. Sfortunatamente, soffre della mancanza di bioattività, in quanto non supporta bene l’adesione e la crescita dei venditori. I rivestimenti di apatite sono noti per essere bioattivi e per legarsi all’osso. Quindi, diverse tecniche sono state utilizzate in passato per produrre un rivestimento di apatite sul titanio. Questi rivestimenti soffrono di non-uniformità di spessore, scarsa adesione e bassa resistenza meccanica. Inoltre, una struttura porosa stabile è necessaria per sostenere il trasporto delle sostanze nutritive attraverso la crescita delle cellule.

È stato dimostrato che utilizzando un approccio biomimetico – una crescita lenta del film di apatite nanostrutturato dal fluido corporeo simulato – ha portato alla formazione di uno strato nanoporoso fortemente aderente e uniforme. Si è scoperto che lo strato era costituito da cristalliti di 60 nm e possedeva una struttura nanoporosa stabile e una bioattività.

Un vero osso è un materiale nanocomposito, composto da cristalliti di idrossiapatite nella matrice organica, che è composta principalmente da collagene. Grazie a ciò, l’osso è meccanicamente duro e, allo stesso tempo, plastico, quindi può recuperare da un danno meccanico. L’effettivo meccanismo su scala nanometrica che porta a questa utile combinazione di proprietà è ancora dibattuto.

Un materiale ibrido artificiale è stato preparato da nanoparticelle di ceramica di 15-18 nm e copolimero poli (metil metacrilato). Usando l’approccio tribologico, è stato dimostrato un comportamento viscoelastico (guarigione) dei denti umani. Un materiale ibrido studiato, depositato come rivestimento sulla superficie del dente, ha migliorato la resistenza ai graffi e possiede un comportamento di guarigione simile a quello del dente.

Terapia del cancro

La terapia fotodinamica del cancro si basa sulla distruzione delle cellule cancerose mediante ossigeno atomico generato dal laser, che è citotossico. Una quantità maggiore di un colorante speciale usato per generare l’ossigeno atomico viene assorbita dalle cellule cancerose rispetto a un tessuto sano. Quindi, solo le cellule cancerose vengono distrutte dopo essere state esposte a una radiazione laser. Purtroppo, le molecole di colorante rimanenti migrano verso la pelle e gli occhi e rendono il paziente molto sensibile all’esposizione alla luce del giorno. Questo effetto può durare fino a sei settimane.

Per evitare questo effetto collaterale, la versione idrofoba della molecola di colorante è stata racchiusa in una nanoparticella porosa. Il colorante è rimasto intrappolato nella nanoparticella Ormosil e non si è diffuso in altre parti del corpo. Allo stesso tempo, la sua capacità di generare ossigeno non è stata influenzata e la dimensione dei pori di circa 1 nm ha permesso all’ossigeno di diffondersi liberamente.

Codifica ottica multicolore per saggi biologici

La ricerca sempre crescente nella proteomica e nella genomica genera un numero crescente di dati di sequenza e richiede lo sviluppo di tecnologie di screening ad alto rendimento. Realisticamente, le varie tecnologie di array attualmente utilizzate nell’analisi in parallelo rischiano di raggiungere la saturazione quando il numero di elementi dell’array supera diversi milioni. Un approccio tridimensionale, basato sulla “codifica a barre” ottica di particelle polimeriche in soluzione, è limitato solo dal numero di tag unici che si possono produrre e rilevare in modo affidabile.

I singoli punti quantici di semiconduttori composti sono stati utilizzati con successo come sostituzione dei coloranti organici in varie applicazioni di bio-tagging. Questa idea è stata portata un passo avanti combinando punti quantici di dimensioni diverse e quindi con colori fluorescenti diversi, e combinandoli in microsfere polimeriche. È stato ottenuto un controllo preciso dei rapporti di punti quantici. La selezione di nanoparticelle utilizzate in questi esperimenti aveva 6 colori diversi e 10 intensità. È sufficiente per codificare oltre 1 milione di combinazioni. L’uniformità e la riproducibilità delle microsfere sono state elevate consentendo un’accuratezza di identificazione delle microsfere del 99,99%.

Manipolazione di cellule e biomolecole

Le nanoparticelle magnetiche funzionalizzate hanno trovato molte applicazioni, tra cui la separazione delle cellule e il sondaggio; queste e altre applicazioni sono discusse in una recente revisione. La maggior parte delle particelle magnetiche studiate finora sono sferiche, il che limita un po’ le possibilità di rendere queste nanoparticelle multifunzionali. Le nanoparticelle alternative di forma cilindrica possono essere create impiegando l’elettrodeposizione del metallo in un template di allumina nanoporosa. A seconda delle proprietà del template, il raggio dei nanocilindri può essere selezionato nell’intervallo da 5 a 500 nm mentre la loro lunghezza può essere grande come 60 μm. Depositando sequenzialmente vari spessori di diversi metalli, la struttura e le proprietà magnetiche dei singoli cilindri possono essere sintonizzate ampiamente.

Come la chimica di superficie per la funzionalizzazione delle superfici metalliche è ben sviluppata, diversi ligandi possono essere attaccati selettivamente a diversi segmenti. Per esempio, le porfirine con leganti tiolici o carbossilici sono state attaccate simultaneamente ai segmenti di oro o di nichel rispettivamente. Così, è possibile produrre nanofili magnetici con parti fluorescenti segregate spazialmente. Inoltre, a causa dei grandi rapporti di aspetto, la magnetizzazione residua di questi nanofili può essere elevata. Quindi, un campo magnetico più debole può essere usato per guidarli. È stato dimostrato che un auto-assemblaggio di nanofili magnetici in sospensione può essere controllato da deboli campi magnetici esterni. Questo permetterebbe potenzialmente di controllare l’assemblaggio delle cellule in diverse forme. Inoltre, un campo magnetico esterno può essere combinato con un modello magnetico definito litograficamente (“intrappolamento magnetico”).

Rilevamento delle proteine

Le proteine sono la parte importante del linguaggio, dei macchinari e della struttura delle cellule, e la comprensione delle loro funzionalità è estremamente importante per ulteriori progressi nel benessere umano. Le nanoparticelle d’oro sono ampiamente utilizzate nell’immunoistochimica per identificare l’interazione proteina-proteina. Tuttavia, le capacità multiple di rilevamento simultaneo di questa tecnica sono abbastanza limitate. La spettroscopia di diffusione Raman potenziata dalla superficie è una tecnica consolidata per il rilevamento e l’identificazione di singole molecole di colorante. Combinando entrambi i metodi in una singola sonda di nanoparticelle si possono migliorare drasticamente le capacità di multiplexing delle sonde proteiche. Il gruppo del Prof. Mirkin ha progettato una sofisticata sonda multifunzionale che è costruita intorno a una nanoparticella d’oro di 13 nm. Le nanoparticelle sono rivestite con oligonucleotidi idrofili che contengono un colorante Raman a un’estremità e terminano con un elemento di riconoscimento di una piccola molecola (per esempio la biotina). Inoltre, questa molecola è cataliticamente attiva e sarà rivestita di argento nella soluzione di Ag(I) e idrochinone. Dopo che la sonda è attaccata a una piccola molecola o a un antigene che è destinata a rilevare, il substrato è esposto alla soluzione di argento e idrochinone. Una placcatura d’argento avviene vicino al colorante Raman, che permette il rilevamento della firma del colorante con un microscopio Raman standard. Oltre ad essere in grado di riconoscere piccole molecole, questa sonda può essere modificata per contenere anticorpi sulla superficie per riconoscere le proteine. Quando è stata testata in formato array proteico sia contro le piccole molecole che contro le proteine, la sonda non ha mostrato alcuna reattività incrociata.

Esplorazione commerciale

Alcune delle aziende che sono coinvolte nello sviluppo e nella commercializzazione di nanomateriali in applicazioni biologiche e mediche sono elencate di seguito (vedi Tabella 1). La maggior parte delle aziende sono piccoli spinout recenti di vari istituti di ricerca. Anche se non esaustiva, questa è una selezione rappresentativa che riflette le attuali tendenze industriali. La maggior parte delle aziende sta sviluppando applicazioni farmaceutiche, principalmente per la consegna di farmaci. Diverse aziende sfruttano gli effetti quantici nei nanocristalli semiconduttori per etichettare le biomolecole, o usano nanoparticelle d’oro bio-coniugate per etichettare varie parti cellulari. Un certo numero di aziende sta applicando materiali nano-ceramici all’ingegneria dei tessuti e all’ortopedia.

La maggior parte delle principali e affermate aziende farmaceutiche hanno programmi di ricerca interna sulla somministrazione di farmaci che sono su formulazioni o dispersioni contenenti componenti fino a dimensioni nano. L’argento colloidale è ampiamente usato in formulazioni e medicazioni antimicrobiche. L’alta reattività delle nanoparticelle di titania, da sole o illuminate con luce UV, è anche usata per scopi battericidi nei filtri. Le proprietà catalitiche potenziate delle superfici delle nano-ceramiche o quelle dei metalli nobili come il platino sono usate per distruggere le tossine pericolose e altri materiali organici pericolosi.

Direzioni future

Al momento, la maggior parte delle applicazioni commerciali delle nanoparticelle in medicina sono orientate alla consegna dei farmaci. Nelle bioscienze, le nanoparticelle stanno sostituendo i coloranti organici nelle applicazioni che richiedono un’alta foto-stabilità e un’alta capacità di multiplexing. Ci sono alcuni sviluppi nel dirigere e controllare a distanza le funzioni delle nano-sonde, per esempio guidare le nanoparticelle magnetiche verso il tumore e poi farle rilasciare il carico di farmaci o semplicemente riscaldarle per distruggere il tessuto circostante. La tendenza principale nell’ulteriore sviluppo dei nanomateriali è quella di renderli multifunzionali e controllabili da segnali esterni o dall’ambiente locale, trasformandoli così essenzialmente in nano-dispositivi.