Molte malattie sono causate da difetti nelle vie di segnalazione delle cellule del corpo. Nel futuro, le nanocapsule bioattive potrebbero diventare uno strumento prezioso per la medicina per controllare questi percorsi. I ricercatori dell'Università di Basilea hanno compiuto un passo importante in questa direzione:sono riusciti a far funzionare in tandem diverse nanocapsule per amplificare una cascata di segnali naturali e influenzare il comportamento delle cellule.

Le cellule comunicano costantemente tra loro e hanno modi per captare i segnali ed elaborarli, in modo simile agli umani che hanno bisogno di orecchie per ascoltare i suoni e della conoscenza del linguaggio per elaborarne il significato. Il controllo delle vie di segnalazione proprie della cellula è di grande interesse per la medicina al fine di trattare varie malattie.

Un team di ricerca del Dipartimento di Chimica dell'Università di Basilea e dell'NCCR Molecular Systems Engineering sviluppa materiali bioattivi che potrebbero essere adatti a questo scopo. Per realizzare questo, i ricercatori guidati dalla professoressa Cornelia Palivan combinano nanomateriali con molecole e cellule naturali.

Nel diario ACS Nano , ora riferiscono come le nanocapsule caricate con enzimi possono entrare nelle cellule ed essere integrate nei loro processi di segnalazione nativi. Accoppiando funzionalmente diverse nanocapsule, sono in grado di amplificare una via di segnalazione naturale.

Proteggere il carico

Per proteggere gli enzimi dalla degradazione in un ambiente cellulare, il team di ricerca li ha caricati in piccole capsule polimeriche. Le molecole possono entrare nel compartimento attraverso pori biologici appositamente inseriti nella sua parete sintetica e reagire con gli enzimi all'interno.

I ricercatori hanno condotto esperimenti con nanocapsule che ospitano diversi enzimi che hanno lavorato in tandem:il prodotto della prima reazione enzimatica è entrato in una seconda capsula e ha avviato la seconda reazione all'interno. Questi nanocapsule potrebbero rimanere operativi per giorni e partecipare attivamente alle reazioni naturali nelle cellule dei mammiferi.

Piccoli altoparlanti e orecchie

Uno dei tanti segnali che le cellule ricevono ed elaborano è l'ossido nitrico (NO). È un meccanismo cellulare ben studiato poiché i difetti nella via di segnalazione dell'NO sono coinvolti nell'insorgenza di malattie cardiovascolari, ma anche nelle distrofie muscolari e retiniche. Il percorso comprende la produzione di NO da parte di una famiglia di enzimi chiamata ossido nitrico sintasi (NOS). L'NO può quindi diffondersi ad altre cellule dove viene rilevato da un altro enzima chiamato guanilato ciclasi solubile (sGC). L'attivazione di sGC avvia una reazione a cascata, regolando una pletora di processi diversi come il rilassamento della muscolatura liscia e l'elaborazione della luce da parte delle cellule sensoriali, tra gli altri.

I ricercatori guidati da Palivan hanno prodotto capsule che ospitano NOS e sGC, che sono naturalmente presenti nelle cellule, ma a concentrazioni molto più basse:le capsule NOS, producendo NO, agire in modo simile agli altoparlanti, 'gridando' il loro segnale forte e chiaro; le capsule sGC, agire come 'orecchie, ' rilevamento ed elaborazione del segnale per amplificare la risposta.

Utilizzando la concentrazione intracellulare di calcio, che dipende dall'azione di sGC, come indicatore, gli scienziati hanno dimostrato che la combinazione di capsule caricate sia di NOS che di sGC rende le cellule molto più reattive, con un aumento di 8 volte del livello di calcio intracellulare.

Una nuova strategia per la terapia enzimatica sostitutiva

"È una nuova strategia per stimolare tali cambiamenti nella fisiologia cellulare combinando la nanoscienza con le biomolecole, " commenta il Dott. Andrea Belluati, il primo autore dello studio. "Abbiamo solo dovuto incubare le nostre capsule caricate di enzimi con le cellule, ed erano pronti ad agire in un attimo".

"Questa prova di concetto è un passo importante nel campo della terapia enzimatica sostitutiva per le malattie in cui le vie biochimiche non funzionano correttamente, come malattie cardiovascolari o diverse distrofie, "aggiunge Cornelia Palivan.