I ricercatori sul cancro non sono timidi nell'usare la nanotecnologia. Il loro lavoro sta facendo progressi promettenti nello sviluppo di trattamenti più sicuri ed efficaci. E adesso, i nuovi sviluppi nell'area significano che il pubblico in generale può aiutare attraverso il crowdsourcing.

Il cancro causa una morte su quattro negli Stati Uniti, e circa 12,7 milioni di nuovi casi di cancro sono stati diagnosticati in tutto il mondo nel 2008. I trattamenti attuali sono tutt'altro che ideali. Per esempio, le chemioterapie tipiche filtrano dal flusso sanguigno dopo l'iniezione e si diffondono in tutto il corpo. I farmaci sono quindi liberi di attaccare tutte le cellule incontrate – anche quelle sane – provocando notevoli effetti collaterali.

Questo è ovviamente lontano dall'ideale. I bioingegneri stanno quindi sperimentando nanoparticelle in grado di fornire farmaci e diagnostica direttamente ai tumori. Le nanoparticelle sono leggermente più grandi dei farmaci:da cinque a 500 nanometri, che è di circa 100 a 10, 000 volte più piccolo di un capello umano. Questa dimensione speciale consente loro di fuoriuscire dai grandi pori nei vasi tumorali, e tuttavia essere ancora contenuto nel flusso sanguigno in tutto il resto del corpo. Di conseguenza, le nanoparticelle possono accumularsi passivamente nei tumori evitando i tessuti sani.

Le nanoparticelle sono disponibili in diverse dimensioni, forme e materiali. Possono essere caricati con farmaci che vengono rilasciati in modo controllato e rivestiti con molecole che consentono loro di interagire con il loro ambiente. Alcune di queste molecole possono essere una firma per identificare in modo univoco le cellule tumorali. Al momento del legame, le cellule possono inghiottire nanoparticelle che poi consegnano il loro carico all'interno della cellula.

Ci sono molti modi per progettare una nanoparticella. A seconda del tuo design, la nanoparticella si muoverà, percepire e agire in modi diversi, proprio come un robot. Il controllo sta nella progettazione delle nanoparticelle e delle loro interazioni con l'ambiente, piuttosto che qualsiasi intelligenza al suo interno. In altre parole, cambiando il corpo della nanoparticella cambierà il suo comportamento:la chiamiamo intelligenza incarnata.

La sfida è capire quale progetto di nanoparticelle migliorerà l'esito del trattamento. Questo è un problema difficile perché trilioni di nanoparticelle interagiscono in un tumore con milioni di cellule. La previsione e l'ottimizzazione del comportamento di tutte queste nanoparticelle in un sistema così complesso è al massimo una supposizione.

Controllo dello sciame

Come le nostre nanoparticelle, stormi di uccelli, colonie di formiche, cellule e collettivi di robot possono esibire comportamenti di sciame apparentemente complessi quando un gran numero di agenti semplici reagisce alle informazioni locali. Il nostro obiettivo ora è esplorare come le nanoparticelle possono cooperare, o sciame, per migliorare sinergicamente il loro effetto terapeutico.

Il lavoro recente del Bhatia Laboratory al MIT mostra una promessa in questa direzione. Le nanoparticelle d'oro si accumulerebbero passivamente nel tumore. Le nanoparticelle verrebbero quindi riscaldate utilizzando un laser, provocando così danni al tessuto tumorale. La seconda ondata di nanoparticelle, progettato per legarsi al tessuto danneggiato, si accumulerebbero quindi a numeri più alti lì.

Utilizzando un simulatore che modella il modo in cui le nanoparticelle interagiscono tra loro e con l'ambiente tumorale, ora possiamo esplorare tali progetti di sciami di nanoparticelle. Nell'esempio video qui sotto, nanoparticelle simulate che lasciano un vaso sanguigno (in rosso) devono trovare una cellula rara (con un bordo rosa) nel tessuto tumorale.

Questa rara cellula potrebbe avere una mutazione specifica, e il suo rilevamento potrebbe aiutare a identificare una tasca di cellule resistenti al trattamento. Progettando in modo intelligente le nanoparticelle e il modo in cui interagiscono con il loro ambiente, siamo in grado di tracciare percorsi diretti dai vasi alla cellula. Simile alle formiche che formano sentieri per raggiungere il tuo tavolo da picnic, queste nanoparticelle funzionano depositando e interagendo con le informazioni nell'ambiente.

Ci sono molti di questi scenari di tumore e strategie di sciame. Ognuno richiede tempo per esplorare e richiede grandi quantità di tentativi ed errori. Anche, ogni problema è diverso, rendendo difficile la programmazione di un computer in grado di progettare automaticamente le nanoparticelle.

Il crowdsourcing consente quindi ai bioingegneri e al pubblico in generale di immaginare nuove strategie di nanoparticelle per il trattamento del cancro. Il simulatore chiamato Nanodoc prevede come si comportano le nanoparticelle nei tumori e si basa su anni di ricerca. La speranza è che le persone che utilizzano il simulatore possano aiutare a scoprire nuovi, strategie di nanoparticelle creative ed efficienti a cui non abbiamo pensato in laboratorio.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione di The Conversation (sotto Creative Commons-Attribuzione/Nessun derivato).