La nanotecnologia sta creando nuove opportunità per combattere le malattie, dalla fornitura di farmaci in imballaggi intelligenti ai nanobot alimentati dai motori più piccoli del mondo.

La chemioterapia avvantaggia moltissimi pazienti, ma gli effetti collaterali possono essere brutali.

Quando a un paziente viene iniettato un farmaco antitumorale, l'idea è che le molecole cercheranno e distruggeranno le cellule tumorali canaglia. Però, quantità relativamente grandi devono essere somministrate per raggiungere l'obiettivo in concentrazioni sufficientemente elevate per essere efficaci. A causa di questa elevata concentrazione di farmaci, le cellule sane possono essere uccise così come le cellule cancerose, lasciando molti pazienti deboli, nauseato e vulnerabile alle infezioni.

Un modo in cui i ricercatori stanno tentando di migliorare la sicurezza e l'efficacia dei farmaci è utilizzare un'area di ricerca relativamente nuova nota come nanoterapia per indirizzare la somministrazione di farmaci solo alle cellule che ne hanno bisogno.

Il professor Sir Mark Welland è capo della divisione di ingegneria elettrica a Cambridge. Negli ultimi anni, la sua ricerca si è concentrata sulla nanoterapia, lavorando in collaborazione con i medici e l'industria per sviluppare meglio, farmaci più sicuri. Lui ei suoi colleghi non progettano nuovi farmaci; Invece, progettano e costruiscono imballaggi intelligenti per i farmaci esistenti.

I nanoterapeuti sono disponibili in molte configurazioni diverse, ma il modo più semplice per pensare a loro è così piccolo, particelle benigne riempite con un farmaco. Possono essere iniettati allo stesso modo di un normale farmaco, e sono trasportati attraverso il flusso sanguigno all'organo bersaglio, tessuto o cellula. A questo punto, un cambiamento nell'ambiente locale, come il pH, o l'uso della luce o degli ultrasuoni, fa sì che le nanoparticelle rilascino il loro carico.

Gli strumenti di dimensioni nanometriche sono sempre più presi in considerazione per la diagnosi, somministrazione e terapia del farmaco. "Ci sono un numero enorme di possibilità in questo momento, e probabilmente più a venire, ecco perché c'è stato così tanto interesse, " dice Welland. Usando chimica e ingegneria intelligenti su scala nanometrica, si può "insegnare" alle droghe a comportarsi come un cavallo di Troia, o per tenere il fuoco fino al momento giusto, o per riconoscere il bersaglio che stanno cercando.

"Cerchiamo sempre di utilizzare tecniche che possono essere scalate - evitiamo di utilizzare prodotti chimici costosi o attrezzature costose, e abbiamo avuto un discreto successo in questo, " aggiunge. "Contenendo i costi e utilizzando tecniche scalabili, abbiamo molte più possibilità di realizzare un trattamento di successo per i pazienti".

Nel 2014, lui e i suoi collaboratori hanno dimostrato che le nanoparticelle d'oro potrebbero essere utilizzate per "contrabbando" i farmaci chemioterapici nelle cellule tumorali nel glioblastoma multiforme, il tipo più comune e aggressivo di cancro al cervello negli adulti, che è notoriamente difficile da trattare. Il team ha progettato nanostrutture contenenti oro e cisplatino, un farmaco chemioterapico convenzionale. Un rivestimento sulle particelle le ha rese attratte dalle cellule tumorali di pazienti con glioblastoma, in modo che le nanostrutture si legassero e venissero assorbite nelle cellule cancerose.

Una volta dentro, queste nanostrutture sono state esposte a radioterapia. Ciò ha fatto sì che l'oro rilasciasse elettroni che danneggiavano il DNA della cellula cancerosa e la sua struttura complessiva, aumentare l'impatto del farmaco chemioterapico. Il processo è stato così efficace che 20 giorni dopo, la coltura cellulare non ha mostrato segni di ripresa, suggerendo che le cellule tumorali erano state distrutte.

Mentre la tecnica è ancora lontana diversi anni dall'uso nell'uomo, sono iniziati i test sui topi. Il gruppo di Welland sta lavorando con MedImmune, il ramo di ricerca e sviluppo di prodotti biologici dell'azienda farmaceutica AstraZeneca, studiare la stabilità dei farmaci e progettare modi per fornirli in modo più efficace utilizzando la nanotecnologia.

"Uno dei grandi vantaggi di lavorare con MedImmune è che capiscono esattamente quali sono i requisiti per l'approvazione di un farmaco. Chiuderemmo le linee di ricerca in cui pensavamo che non sarebbe mai arrivato al punto di approvazione da parte delle autorità di regolamentazione, " dice Welland. "È importante essere pragmatici al riguardo in modo che vengano portati avanti solo gli approcci con le migliori possibilità di lavorare nei pazienti".

I ricercatori stanno anche prendendo di mira malattie come la tubercolosi (TB). Con il finanziamento del Rosetrees Trust, Welland e il ricercatore post-dottorato Dr Íris da luz Batalha stanno lavorando con il professor Andres Floto nel Dipartimento di Medicina per migliorare l'efficacia dei farmaci contro la tubercolosi.

La loro soluzione è stata quella di progettare e sviluppare non tossici, polimeri biodegradabili che possono essere 'fusi' con molecole di farmaci antitubercolari. Poiché le molecole polimeriche hanno un lungo, forma a catena, i farmaci possono essere attaccati lungo la lunghezza dello scheletro polimerico, il che significa che quantità molto grandi del farmaco possono essere caricate su ciascuna molecola di polimero. I polimeri sono stabili nel flusso sanguigno e rilasciano i farmaci che trasportano quando raggiungono la cellula bersaglio. Dentro la cella, il pH scende, che fa sì che il polimero rilasci il farmaco.

Infatti, i polimeri hanno funzionato così bene per i farmaci contro la tubercolosi che un altro dei ricercatori post-dottorato di Welland, Dott.ssa Myriam Ouberai, ha costituito una start-up company, Spirea, che sta raccogliendo fondi per sviluppare i polimeri da utilizzare con i farmaci oncologici. Ouberaï spera di stabilire una collaborazione con un'azienda farmaceutica nei prossimi due anni.

"Progettare queste particelle, caricarli di droga e renderli intelligenti in modo che rilascino il loro carico in modo controllato e preciso:è una bella sfida tecnica, " aggiunge Welland. "Il motivo principale per cui sono interessato alla sfida è che voglio vedere qualcosa che funziona nella clinica, voglio vedere qualcosa che funziona nei pazienti".

La nanotecnologia potrebbe andare oltre la terapeutica in un momento in cui le nanomacchine ci manterranno in salute pattugliando, monitorare e riparare il corpo?

Le nanomacchine sono state a lungo un sogno di scienziati e pubblico. Ma capire come farli muovere ha significato che sono rimasti nel regno della fantascienza.

Ma l'anno scorso, Il professor Jeremy Baumberg e i suoi colleghi di Cambridge e dell'Università di Bath hanno sviluppato il motore più piccolo del mondo, solo pochi miliardesimi di metro. è biocompatibile, conveniente per la produzione, veloce nella risposta ed efficiente dal punto di vista energetico.

Le forze esercitate da queste "formiche" (per "azionare nano-trasduttori") sono quasi cento volte più grandi di quelle di qualsiasi dispositivo noto, motorio o muscolare. Per farli, minuscole particelle cariche d'oro, legati insieme con un gel polimerico sensibile alla temperatura, vengono riscaldati con un laser. Quando i rivestimenti polimerici espellono l'acqua dal gel e collassano, una grande quantità di energia elastica viene immagazzinata in una frazione di secondo. Al raffreddamento, le particelle si staccano e rilasciano energia.

I ricercatori sperano di utilizzare questa capacità delle formiche per produrre forze molto grandi rispetto al loro peso per sviluppare macchine tridimensionali che nuotano, hanno pompe che assorbono fluidi per rilevare l'ambiente e sono abbastanza piccole da muoversi nel nostro flusso sanguigno.

Lavorare con Cambridge Enterprise, il braccio di commercializzazione dell'Università, il team del Nanophotonics Center di Cambridge spera di commercializzare la tecnologia per le bio-applicazioni di microfluidica. Il lavoro è finanziato dall'Engineering and Physical Sciences Research Council e dal European Research Council.

"C'è una rivoluzione in corso nell'assistenza sanitaria personalizzata, e per questo abbiamo bisogno di sensori non solo all'esterno ma anche all'interno, " spiega Baumberg, che guida una rete interdisciplinare di ricerca strategica e un centro di formazione dottorale incentrato sulla nanoscienza e la nanotecnologia.

"La nanoscienza sta guidando questo. Ora stiamo costruendo una tecnologia che ci permetta persino di immaginare questi futuri".