Veicoli minuscoli fino a 1, 000 volte più piccoli della larghezza di un capello umano, ricoperti da un camuffamento biologico, potrebbero fornire nuovi modi di curare il cancro con minori effetti collaterali.

Nel corso di miliardi di anni la natura ha perfezionato modi ingegnosi con cui le cellule biologiche si muovono nel loro ambiente e trasportano innocuamente pacchetti di sostanze chimiche tra loro.

Ora gli scienziati stanno imitando alcuni di questi processi per creare nuove "nanomacchine" che potrebbero eventualmente aiutare a curare malattie come la leucemia e altri tumori.

Un approccio trae ispirazione dalla storia dell'assedio di Troia, quando i greci nascondevano i loro guerrieri dentro un gigantesco cavallo di legno per entrare in città.

Professoressa Valentina Cauda, un ingegnere chimico presso il Politecnico di Torino in Italia, sta conducendo un progetto per creare cristalli di dimensioni nanometriche di ossido di zinco che possono uccidere le cellule cancerose dall'interno. Da soli i cristalli, che hanno una dimensione di circa 20 nanometri, circa 6, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano:può essere tossico per le cellule sane del corpo e può innescare una reazione immunitaria che impedisce loro di raggiungere il tumore.

Ma la prof.ssa Cauda ei suoi colleghi del progetto TrojaNanoHorse hanno sviluppato un guscio attorno ai cristalli in modo che possano farli scivolare oltre le difese del corpo e all'interno delle cellule tumorali.

"L'idea è quella di eludere il sistema immunitario e di eludere la barriera della membrana cellulare grazie al guscio biomimetico, "dice il prof. Cauda. "Nell'analogia del cavallo di Troia, la cellula (cancro) può essere la città di Troia."

Grasso

Le minuscole conchiglie, che sono tra 100-200 nm o 1, 000 volte più piccolo di un capello umano, sono costituiti da molecole grasse chiamate lipidi che formano la membrana esterna di quasi tutte le cellule viventi. In natura, piccole goccioline prodotte da questi lipidi, note come vescicole, germogliano costantemente dalla superficie delle nostre cellule con messaggi chimici o materiali indesiderati all'interno in modo che possano essere trasportate in sicurezza in altre parti del corpo.

La prof.ssa Cauda e il suo team hanno cercato di copiarlo rivestendo i loro nanocristalli in vescicole prodotte da cellule cresciute in laboratorio in modo che anche loro possano attraversare il corpo in modo innocuo. La superficie delle vescicole può anche essere costellata di anticorpi contro specifiche cellule cancerose, aiutandoli a concentrarsi solo sulle cellule che vogliono uccidere.

Una volta che una vescicola trova una cellula cancerosa, i suoi anticorpi si legheranno alla superficie, permettendo ai lipidi di fondersi con la cellula e rilasciando il nanocristallo tossico all'interno. E coltivando nanoshell da cellule prelevate dal corpo di un paziente, Il prof. Cauda ritiene che sarà possibile creare trattamenti personalizzati in grado di eludere il sistema immunitario uccidendo comunque le cellule tumorali.

Il team ha già testato in laboratorio l'approccio nanoshell contro le cellule leucemiche e il cancro cervicale. Mentre sperano di poter eseguire prove umane in futuro, Il prof. Cauda ha avvertito che potrebbero volerci ancora molti anni prima che raggiungano quella fase.

Benefici

In caso di successo, però, questo approccio di nanomedicina potrebbe portare benefici rispetto ai tradizionali trattamenti chemioterapici mirando solo alle cellule tumorali, lasciando inalterato il tessuto sano e riducendo così gli effetti collaterali.

"L'approccio della nanomedicina potrebbe offrire un trattamento sito-selettivo e personalizzato per il paziente, " ha detto il prof. Cauda.

Questo approccio, però, si basa ancora in gran parte sui nanoshell che si avvalgono delle cellule tumorali mentre circolano nel flusso sanguigno del paziente in modo che possano attaccarsi a loro.

Un altro team di ricercatori sta lavorando su nano e micro-macchine che potrebbero essere attivamente in grado di migliorarlo portando i trattamenti nel sito del corpo dove sono necessari.

Dott.ssa Larisa Florea, uno scienziato dei materiali al Trinity College di Dublino in Irlanda, sta conducendo un progetto chiamato ChemLife per creare veicoli in miniatura che possono muoversi da soli in un liquido.

Chemiotassi

Il team sta tentando di emulare una forma di movimento nota come chemiotassi, che è impiegato da alcuni microrganismi di base e consente loro di passare attraverso soluzioni da bassa salinità ad alta salinità, o da soluzioni acide ad alcaline, Per esempio.

Altri gruppi di ricerca negli Stati Uniti hanno precedentemente dimostrato che le goccioline create dall'uomo possono essere spostate in modo molto preciso attraverso labirinti complessi con questo approccio. La dottoressa Florea ei suoi colleghi hanno cercato di estendere questo utilizzando la luce per controllare il movimento delle goccioline.

Hanno creato goccioline simili a vescicole che accoppiano molecole sensibili alla luce con composti noti come tensioattivi. I tensioattivi si trovano comunemente nei detergenti, ma si trovano anche comunemente in molti sistemi biologici.

Quando esposto alla luce, le molecole 'fotosensibili' reagiscono cambiando forma, alterando la tensione superficiale su ciascun lato della gocciolina. Questo fa sì che le molecole nella gocciolina fluiscano da un lato all'altro, guidandolo in avanti, un po' come il battistrada di un carro armato.

Il team ha dimostrato di poter guidare con precisione le goccioline attraverso spazi tridimensionali e raggiungere velocità fino a 10,4 mm al secondo (0,02 mph).

"Se confronti la velocità del movimento con le dimensioni di queste microgoccioline, sono più veloci, Libra per libra, di alcuni dei migliori nuotatori del mondo, " ha detto il dottor Florea.

Sono stati anche in grado di dimostrare che i loro veicoli a forma di goccia possono trasportare merci, consegnandolo ad altre goccioline per innescare una reazione chimica. Aumenta la speranza che metodi simili possano essere utilizzati per somministrare farmaci o altri tipi di trattamenti a cellule specifiche del corpo.

Sebbene possa essere difficile usare la luce per far passare una gocciolina che trasporta droga attraverso il corpo, La dott.ssa Florea e i suoi colleghi hanno anche esplorato l'uso di lievi correnti elettriche.

Propulsione

Il team ha anche sviluppato micromacchine più complesse in grado di nuotare o strisciare attraverso i liquidi come minuscoli batteri. Utilizzando tecniche di stampa 3D ad alta precisione, sono stati in grado di creare strutture di idrogel di dimensioni di pochi micrometri che possono contrarsi ed espandersi per spingere una struttura in avanti.

"Abbiamo realizzato minuscole strutture simili a fiori, Per esempio, che può aprirsi e chiudersi in risposta a stimoli diversi, " ha detto. "Per esempio potrebbe aprirsi a un certo pH e chiudersi a un altro."

Questo accade perché gli idrogel si espandono assorbendo acqua e si contraggono espellendola in base al pH della soluzione circostante. Il Dr. Florea ha detto che sperano di controllare anche il movimento degli idrogel con cambiamenti di temperatura o impulsi di luce.

Il team di ChemLife sta usando questi idrogel per creare strutture con minuscoli flagelli rotanti, le minuscole appendici a forma di coda che alcuni batteri usano per spingersi. Stanno anche creando strutture simili a vermi dallo stesso tipo di idrogel che possono strisciare lungo le superfici o attraverso i liquidi.

"L'obiettivo finale è fare in modo che questi micro-veicoli eseguano azioni come la consegna di farmaci o il rilevamento (chimico), " ha detto il dottor Florea. "Ma dobbiamo essere realistici che questo potrebbe non essere raggiunto nel prossimo futuro in quanto il corpo è un ambiente molto difficile".

Le minuscole strutture mobili potrebbero trovare impiego anche in altri modi. These include delivering chemicals to better improve industrial reactions or creating soft micro-grippers that could be remotely activated to handle delicate components like cells without damaging them.

"When you look at what nature can achieve, the opportunities are endless, " added Dr. Florea.