Per anni gli scienziati hanno lavorato per capire fondamentalmente come le nanoparticelle si muovono in tutto il corpo umano. Una grande domanda senza risposta è come la forma delle nanoparticelle influenzi il loro ingresso nelle cellule. Ora i ricercatori hanno scoperto che in condizioni di coltura tipiche, le cellule di mammifero preferiscono le nanoparticelle a forma di disco rispetto a quelle a forma di bastoncelli.

Comprendere come la forma delle nanoparticelle influisce sul loro trasporto nelle cellule potrebbe essere un importante impulso per il campo della nanomedicina aiutando gli scienziati a progettare terapie migliori per varie malattie, come migliorare l'efficacia e ridurre gli effetti collaterali dei farmaci antitumorali.

Oltre alla geometria delle nanoparticelle, i ricercatori hanno anche scoperto che diversi tipi di cellule hanno meccanismi diversi per attirare nanoparticelle di diverse dimensioni, che prima era sconosciuto. Il team di ricerca ha utilizzato anche modelli teorici per identificare i parametri fisici che le cellule utilizzano quando assorbono le nanoparticelle.

"Questa ricerca ha identificato alcuni aspetti molto nuovi ma fondamentali in cui le cellule interagiscono con la forma delle nanoparticelle, " disse Krishnendu Roy, che di recente è entrato a far parte del dipartimento di ingegneria biomedica di Wallace H. Coulter presso la Georgia Tech e la Emory University. Roy ha condotto questa ricerca presso l'Università del Texas ad Austin in collaborazione con i Proff. S.V. Sreenivasan e Li Shi, ma sta continuando il lavoro alla Georgia Tech.

Lo studio doveva essere pubblicato la settimana del 7 ottobre nella prima edizione online della rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Il lavoro è stato sponsorizzato dalla National Science Foundation e dal National Institutes of Health.

Il team di Roy ha utilizzato un approccio unico per creare nanoparticelle di forma diversa. I ricercatori hanno adattato una tecnologia di imprinting utilizzata nell'industria dei semiconduttori e l'hanno truccata per funzionare con molecole biologiche, ha detto Roy. Questa tecnica di stampa, che hanno sviluppato a UT-Austin, funziona come un tagliabiscotti ma su scala nanometrica. I farmaci vengono miscelati con una soluzione polimerica e dispensati su un wafer di silicio. Quindi viene impressa una forma sulla miscela polimero-farmaco utilizzando un modello di quarzo. Il materiale viene quindi solidificato mediante luce UV. Qualunque sia il modello del tagliabiscotti - triangolo, asta, disco – viene prodotta una nanoparticella con quella forma. Un'altra caratteristica fondamentale delle nanoparticelle è che sono cariche negativamente e sono idrofile, attributi che li rendono rilevanti per l'uso clinico nella somministrazione di farmaci.

"Abbiamo un controllo squisito su forme e dimensioni, " ha detto Roy, che è un Wallace H. Coulter Distinguished Faculty Fellow.

Il suo team ha quindi utilizzato particelle di varie forme e dimensioni per vedere come i diversi tipi di cellule di mammifero coltivate avrebbero risposto ad esse. I materiali e le cariche superficiali delle particelle erano tutti uguali, solo le forme differivano.

La squadra di Roy non si aspettava che le cellule preferissero i dischi ai bastoncelli. Hanno scoperto che nella coltura cellulare, a differenza delle nanoparticelle sferiche, i dischi e le aste di dimensioni maggiori vengono assorbiti in modo più efficiente, una scoperta anche inaspettata. Quando hanno eseguito calcoli teorici, hanno scoperto che l'energia richiesta da una membrana cellulare per deformarsi e avvolgersi attorno a una nanoparticella è inferiore per i dischi rispetto alle aste e che le forze gravitazionali e le proprietà della superficie svolgono un ruolo significativo nell'assorbimento delle nanoparticelle nelle cellule.

"La ragione per cui questo è stato inesplorato è che non avevamo gli strumenti per creare queste nanoparticelle dalla forma precisa, " ha detto Roy. "Solo negli ultimi sette o otto anni ci sono stati alcuni gruppi che hanno escogitato questi strumenti per creare particelle polimeriche di varie dimensioni e forme, soprattutto su scala nanometrica".

Le cellule assorbono le nanoparticelle attraverso un processo chiamato endocitosi, ma a seconda della forma e del tipo di cellula, vengono attivate specifiche vie di assorbimento, la squadra ha scoperto. Alcune cellule si affidano a proteine ​​nelle loro membrane chiamate caveolina; altri usano una diversa proteina di membrana, noto come clatrina.

Capire come le cellule rispondono alle forme delle nanoparticelle è importante non solo per la somministrazione di farmaci, ma anche per comprendere la tossicità dei nanomateriali utilizzati nei prodotti di consumo. Il nuovo lavoro di Roy fornisce un altro tassello per risolvere questo puzzle.

"Le persone stanno realizzando diverse cose su scala nanometrica con vari materiali senza comprendere fondamentalmente le loro interazioni con le cellule, " ha detto Roy.

In futuro lavoro presso Georgia Tech, Il laboratorio di Roy vorrebbe studiare come le forme dei nanomateriali influenzano il loro trasporto e la loro funzione nei modelli animali. Questo darà ai ricercatori un'idea migliore di come le particelle si muovono nei tumori, passano attraverso le superfici delle mucose e si distribuiscono negli organi, e infine aiuto nelle terapie cliniche.

"Il 99,9 per cento del nostro lavoro è ancora da fare, che vogliamo continuare a fare qui a Tech in collaborazione con i ricercatori di UT, " ha detto Roy.