Le cellule sono molto brave a proteggere il loro prezioso contenuto e, di conseguenza, è molto difficile penetrare nelle loro pareti di membrana per somministrare farmaci, nutrienti o biosensori senza danneggiare o distruggere la cellula. Un modo efficace per farlo, scoperto nel 2008, consiste nell'utilizzare nanoparticelle di oro puro, rivestito con un sottile strato di uno speciale polimero. Ma nessuno sapeva esattamente perché questa combinazione funzionasse così bene, o come è riuscito ad attraversare la parete cellulare.

Ora, i ricercatori del MIT e dell'Ecole Polytechnique de Lausanne in Svizzera hanno capito come funziona il processo, e i limiti sulle dimensioni delle particelle che possono essere utilizzate. La loro analisi appare sulla rivista Nano lettere , in un articolo degli studenti laureati Reid Van Lehn, Prabhani Atukorale, Yu-Sang Yang e Randy Carney e i professori Alfredo Alexander-Katz, Darrell Irvine e Francesco Stellacci.

Fino ad ora, dice Van Lehn, l'autore principale del giornale, "il meccanismo era sconosciuto. ... In questo lavoro, volevamo semplificare il processo e comprendere le forze" che consentono alle nanoparticelle d'oro di penetrare nelle pareti cellulari senza danneggiare in modo permanente le membrane o rompere le cellule. I ricercatori lo hanno fatto attraverso una combinazione di esperimenti di laboratorio e simulazioni al computer.

Il team ha dimostrato che il primo passo cruciale nel processo è che le nanoparticelle d'oro rivestite si fondono con i lipidi, una categoria di grassi naturali, cere e vitamine, che formano la parete cellulare. Gli scienziati hanno anche dimostrato un limite superiore alla dimensione di tali particelle che possono penetrare nella parete cellulare, un limite che dipende dalla composizione del rivestimento della particella.

Il rivestimento applicato alle particelle d'oro consiste in una miscela di componenti idrofobici e idrofili che formano un monostrato, uno strato spesso solo una molecola, sulla superficie della particella. È possibile utilizzare uno qualsiasi dei diversi composti, spiegano i ricercatori.

"Le cellule tendono a inghiottire le cose in superficie, "dice Alexander-Katz, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali al MIT, ma è "molto insolito" che i materiali attraversino quella membrana all'interno della cellula senza causare gravi danni. Irvine e Stellacci hanno dimostrato nel 2008 che le nanoparticelle d'oro rivestite di monostrato potevano farlo; da allora hanno lavorato per capire meglio perché e come funziona.

Poiché le nanoparticelle stesse sono completamente rivestite, il fatto che siano d'oro non ha alcun effetto diretto, tranne che le nanoparticelle d'oro sono un sistema modello facilmente preparabile, dicono i ricercatori. Però, ci sono prove che le particelle d'oro abbiano proprietà terapeutiche, che potrebbe essere un vantaggio collaterale.

Le particelle d'oro sono anche molto brave a catturare i raggi X, quindi se potessero penetrare nelle cellule cancerose, e sono stati poi riscaldati da un raggio di raggi X, potrebbero distruggere quelle cellule dall'interno. "Quindi il fatto che sia oro può essere utile, "dice Irvine, un professore di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria biologica e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research.

In modo significativo, il meccanismo che permette alle nanoparticelle di passare attraverso la membrana sembra anche sigillare l'apertura non appena la particella è passata. "Passerebbero senza permettere nemmeno a piccole molecole di fuoriuscire dietro di loro, "Dice Van Lehn.

Irvine dice che il suo laboratorio è anche interessato a sfruttare questo meccanismo di penetrazione cellulare come un modo per somministrare farmaci all'interno della cellula, legandoli al materiale di rivestimento superficiale. Un passo importante per renderlo un processo utile, lui dice, sta trovando modi per consentire ai rivestimenti di nanoparticelle di essere selettivi sui tipi di cellule a cui si attaccano. "Se sono tutte cellule, non è molto utile, " lui dice, ma se i rivestimenti possono essere mirati a un particolare tipo di cellula che è il bersaglio di un farmaco, potrebbe essere un vantaggio significativo.

Un'altra potenziale applicazione di questo lavoro potrebbe consistere nell'attaccare o inserire molecole di biorilevamento su o all'interno di determinate cellule, dice Van Lehn. In questo modo, gli scienziati potrebbero rilevare o monitorare specifici marcatori biochimici, come le proteine ​​che indicano l'inizio o il declino di una malattia o di un processo metabolico.

Generalmente, l'attaccamento ai rivestimenti superficiali delle nanoparticelle potrebbe fornire una chiave per l'interno delle cellule per "molecole che normalmente non avrebbero alcuna capacità di attraversare la membrana cellulare, "dice Irvine.