Riflessioni sulle Scienze

di Alberto Viotto    indice articoli

 

Nanoscienze, Nanotecnologie e Nanomedicina. La rivoluzione tecnologica del XXI secolo

Novembre 2011
Di Giovanna Serenelli

 

La storia delle tecnologie umane riconosce almeno tre grandi rivoluzioni: quella industriale del XIX secolo, quella 'nucleare' del XX secolo e quella odierna del XXI secolo che ci vien fatto di indicare come la 'rivoluzione nanotecnologica'.

Da quest'ultima ci si aspettano, oltre alla presenza di rischi di cui ancora non conosciamo pienamente la portata, grandi vantaggi specialmente in campo medico.

 

Quella delle nanoscienze è una rivoluzione che trova le sue basi già nel secolo precedente, con le sfide poste nel 1959, il 29 dicembre, da R. P. Feynman con la sua lettura ‘There's Plenty of Room at the Bottom’ presentata al Meeting Annuale dell’American Physical Society [1] che offrì un premio di 1000 $ al primo che fosse riuscito a trascrivere la pagina di un libro in uno spazio 25.000 volte più piccolo ed a renderla leggibile al microscopio elettronico ed uno ulteriore al primo che fosse riuscito a costruire un motore elettrico contenuto in uno spazio cubico di un solo sessantaquattresimo di Inch.

La sfida di Feynman è stata raccolta ed i limiti che aveva proposto sono stati oggi superati.

Una definizione accettata per  il termine nanoscienze stabilisce trattarsi dello studio sia di fenomeni che della manipolazione di materiali su scala atomica, molecolare e  macromolecolare le cui proprietà differiscono significativamente da quelle possedute su scale maggiori. Per nanotecnologie si intendono tutte quelle tecnologie che comportano la progettazione, la caratterizzazione e l’applicazione di strutture, congegni, sistemi a dimensioni nanometriche [2]

Nel mondo ‘nano’ la scala di misura è nanometrica ed un nanometro corrisponde ad un milionesimo di millimetro. Un normale globulo rosso del diametro medio di 7 micrometri ha, ad esempio, un diametro pari a 7000 nanometri (nm). Il limite massimo di un oggetto nanometrico è di 100 nm ed è sufficiente che almeno una delle sue dimensioni rientri in questo valore per poterlo correttamente inserire nel modo ‘nano’ (Fig. 1). Anche la macromolecola del DNA che per ogni cromosoma avrebbe, in media (Il dato è assolutamente grossolano ed è utile solamente a scopo esemplificativo: la lunghezza del DNA viene calcolata in paia di basi e non ha, ovviamente, senso parlare di lunghezza media dei cromosomi.) una lunghezza, se distesa, di 5 cm, ha dimensionalità nanometrica.

Fig. 1 La scala delle cose. Credit US Department of Energy, Office of Science

http://science.energy.gov/bes/news-and-resources/scale-of-things-chart/

 

La particolarità di questo mondo non è solo nella scala delle dimensioni, ma anche nelle proprietà dei nanomateriali completamente differenti da quelle possedute se considerati in scale dimensionali nettamente superiori. Il comportamento di una nanoparticella d’oro è completamente diverso da quello di un frammento dello stesso metallo visibile ad occhio nudo o anche di dimensione microscopica. Le forze che agiscono nel mondo nanometrico non sono le stesse che possiamo apprezzare quotidianamente con i nostri sensi. Le forze elettromagnetiche, il moto browniano, il rapporto area superficiale/volume, con predominanza dei fenomeni interfacciali sono quelle predominanti. Le regole che valgono sono quelle della meccanica quantistica. Le conseguenze sono proprietà fisiche, chimiche, elettriche, magnetiche ed ottiche del tutto particolari assolutamente imprevedibili che non solo variano da materiale a materiale o alla densità delle nanoparticelle stesse, ma anche, per uno stesso materiale, in relazione alle dimensioni [3]. La spiccata reattività delle nanoparticelle, i loro peculiari comportamenti, le loro capacità di autoassemblamento, e persino i loro eventuali difetti le rendono particolarmente utili per una grande varietà di applicazioni: alcune già in atto, altre in corso di rapido sviluppo.

Le applicazioni attuali riguardano, tanto per citarne alcune, cosmetici e filtri solari, composti che combinano nanoparticelle o nanomateriali con altri tradizionali (in imballaggi antistatici, negli pneumatici e nei paraurti delle auto), rivestimenti antigraffio e resistenti al logoramento, tessuti antibatterici, idrorepellenti, antimacchia, accessori per taglio e perforazioni resistenti all’erosione, rivestimenti di pentole, elettronica (circuiti integrati), prodotti dell’industria agro-alimentare: concimi, additivi contenuti nei cibi).

Nei nostri oggetti di uso quotidiano le nanoparticelle sono già presenti. Il problema è che a fronte di proprietà utili, impensabili per materiali non nanostrutturati, c’è l’incognita dei rischi posti da questi stessi materiali. Ciascuno di essi in effetti ha, in relazione al tipo, all’eventuale dopaggio, alle dimensioni, al contatto con altri materiali, alla temperatura, un comportamento peculiare.

Giusto per dare un’idea della cosa, parliamo per qualche riga dell’Oro. Le nostre conoscenze classiche ci dicono che l’Oro è il più inerte dei metalli, incorruttibile, di colore giallo lucente, che fonde a 1064,43 °C. Se però consideriamo l’oro in nanoparticelle ciò non è più vero [4]: il prezioso metallo non è più giallo (Fig. 2), ma rosso (o blu o verde a seconda del tipo di illuminazione e della grandezza delle nanoparticelle), fonde tranquillamente a 650°C ed è per di più un ottimo catalizzatore (in range di 2-3 nm o 3-5 nm o 7-8 nm o 30-50 nm. di diametro).

Fig. 2 I vari colori emessi da nanoparticelle di Oro di differenti dimensioni Credit: M. Valentino Determinazione di albumina mediante metodo immunochimico omogeneo basato su nanoparticelle di Oro Tesi di Laurea Università degli Studi di Torino,Fac Scienze Fisiche e Naturali, Corso di Laurea Magistrale in Chimica Clinica Forense e dello Sport AA 2007-2008

http://aperto.unito.it/bitstream/2318/474/1/tesi_laurea_fulltext.pdf

Molti organismi internazionali mettono in guardia da un uso ‘allegro’ di nanomateriali e nanotecnologie poiché non se ne conoscono neppur bene i rischi attualmente in corso di frenetica investigazione.

Di fatto già nel 2009 almeno 1600 compagnie erano coinvolte in processi di produzione di nanoparticelle o comunque correlati con le nanotecnologie [5]. Si prevede che nel 2015 le nanotecnologie muoveranno affari per 3500 miliardi di dollari.

Le grandi conseguenze di questa rivoluzione ci sono attualmente ignote, potrebbe anche trattarsi di conseguenze drammatiche. Le nanoparticelle possono diffondesi (e si diffondono) nell’ambiente, contaminare suoli, acque, terreni e di conseguenza passare incontrollatamente negli organismi viventi. Quali ne saranno gli effetti sugli ecosistemi già oggi in situazione critica? Non sappiamo ancora. Dati certi relativi alla loro tossicità comunque già ce ne sono e sono preoccupanti.

E’ vero che la natura da tempi immemorabili costruisce nanoparticelle, nanomateriali, nanomotori. Basti pensare alle argille costituite di nanoparticelle o ai prodotti delle eruzioni vulcaniche per trovare nanoparticelle perfettamente naturali. Da nanostrutture gerarchiche sono costituite le piante (legno, cellulosa, epidermide foliare…), di nanostrutture sono provvisti anche gli organismi animali  (denti, osso, ali delle farfalle, pelle dei gechi, antenne olfattorie di insetti ad esempio). Le cellule, anche quelle umane, debbono le loro funzioni a nanomotori molecolari (proteine G, miosina, trasporti attraverso le sinapsi, recettori…).

E’ vero anche però che, oggi, quando parliamo di nanoparticelle non dobbiamo pensare solamente a quelle naturali con cui siamo convissuti senza problemi per millenni, ma anche a quelle che oggi possono essere volontariamente prodotte dalle nostre tecniche.

Oltre a queste esistono, lo aggiungiamo per completezza, anche quelle accidentali che vengono rilasciate come sottoprodotti di fenomeni naturali o delle attività umane. Ci sono perfettamente note quelle monitorate nell’aria note come PM (Particulate Matter).

La differenza tra le nanoparticelle naturali  e quelle ingegnerizzate è profonda. Mentre le prime sono in genere poco reattive, biodegradabili e tendono ad interagire le une con le altre a formare ammassi scarsamente reattivi, le altre sono, grazie all’elevata area superficiale che espone in superficie la maggior parte degli atomi che le compongono, altamente reattive, assai meno disponibili all’aggregazione e persistono nell’ambiente a causa della scarsa biodegradabilità.

A tutto ciò il mondo della medicina è ben lungi dall’essere estraneo.

Non per niente esiste la nuova branca della nanomedicina.

L’esposizione cronica di coloro che sono addetti alla produzione di nanoparticelle non mancherà di offrire lavoro ai Colleghi della Medicina Legale e del Lavoro costringendoli ad ampliare il loro campo di conoscenze.

Contemporaneamente le scienze biomediche possono aspettarsi anche grandi vantaggi dall’uso delle nanoparticelle o di materiali nanoingegnerizzati sia a scopo di ricerca che per scopi diagnostici o terapeutici. Moltissimi sono gli approcci diagnostico/terapeutici basati su criteri nanotecnologici ancora in fase di sperimentazione, ma è prevedibile che non passeranno certo lustri prima dell’applicazione nelle nuove tecniche.

Grandi sono le speranze per risultati ottenibili in Medicina Preventiva per la diagnosi precoce o per l’identificazione della predisposizione a determinate malattie. Altrettanto grandi quelle riposte nella Medicina Rigenerativa  che avrebbe la possibilità di indurre la rigenerazione di tessuti o organi in casi di malattie croniche debilitanti che coinvolgano il sistema endocrino, l’apparato osteoarticolare, il sistema nervoso o quello cardiovascolare. Drammaticamente positivi potrebbero essere i risultati terapeutici che potrebbero divenire praticamente non invasivi e privi di effetti collaterali per la possibilità di una raffinata terapia locoregionale; ci stiamo riferendo soprattutto alle terapie per tumori maligni ed in ispecie a quelli del Sistema Nervoso Centrale.

I nanomateriali usati sono vari. Si va dai quantum dots o nanodots ai dendrimeri, dai nanobastoncelli (nanorods) ai nanotubi o ancora alla manipolazione di nanopori (20 nm di diametro).

I quantum dots sono cristalli semiconduttori. Si tratta di cluster (per definizione un cluster contiene un massimo di 50 unità) di atomi di forma in genere tondeggiante o ovalare che confinano elettroni nella parte centrale cava e che si comportano come se fossero singoli atomi. In rapporto alle loro dimensioni rispondono alle radiazioni elettromagnetiche con  una fluorescenza assai più intensa di quella emessa dai coloranti usati normalmente. Legati con legami peptidici ad anticorpi possono raggiungere un determinato tessuto od organo bersaglio e legarsi ad esso grazie all’anticorpo. Se si stimola la sede in cui sono localizzati con una radiazione elettromagnetica, i quantum dot emettono luce che può essere catturata su uno schermo e resa perciò visibile anche al nostro occhio che altrimenti non potrebbe rilevarla. Le applicazioni sono molteplici (elettronica, computer quantistici, celle solari), ma in medicina sono particolarmente utili nella diagnostica dei tumori maligni, nell’identificazione delle sedi di eventuali metastasi e ovviamente nel trattamento chirurgico radicale di queste patologie.

Fig. 3 Vari tipi di quantum dots in Multiplex Imaging usati per marcare in vivo  cellule staminali eccitati tutti alla stessa lunghezza d’onda.Credit:  Li, Shengwen Calvin; Tachiki, Lisa May Ling; Luo, Jane; Dethlefs, Brent A.; Chen, Zhongping; Loudon, William G. A Biological Global Positioning System: Considerations for Tracking Stem Cell Behaviors in the Whole Body Stem Cell Reviews and Reports 6 (2): 317-333, 2010
www.stemcellgateway.net/ArticlePage.aspx?DOI=10.1007/s12015-010-9130-9

La Invitrogen [6] mette già in vendita (ma non è sola) quantum dots per l’imaging in ‘vivo’ utili ad esempio per la mappatura del marker Her2 (cancro della mammella) o delle integrine nei tumori che le esprimono. I quantum dots rendono anche possibile l’imaging del sistema vascolare, è possibile usarli come traccianti di singole molecole o per lo studio dei recettori. La disponibilità di quantum dots a differenti spettri di emissione, che variano in base alle loro dimensioni, consentono anche la valutazione di più parametri contemporaneamente. La metodica ha nessuna o minima invasività, data la possibilità di iniettarli per via venosa. L’attuale uso è sperimentale e dedicato alle cellule, ai tessuti o agli animali di piccole dimensioni.

Fig. 4 Rappresentazione schematica di un dendrimero Nano-Health, Nano-War Jamais Cascio in The Long View on December 11, 2006 3:52 PM
In: http://openthefuture.com/2006/12/nanohealth_nanowar.html

 

I dendrimeri (Fig. 4) sono materiali nanostrutturati, composti oligomerici o polimerici, non lineari, altamente ramificati e dotati di abbondanti gruppi attivi, sintetizzabili con una serie ripetuta di reazioni (generazioni) a partire da un ‘core’ iniziale. Ne esistono molte classi. Incrementando il numero delle reazioni ripetitive la forma del dendrimero cambia e se inizialmente ha una struttura asimmetrica, tende progressivamente ad allungarsi ed infine a divenire globulare (dopo la quarta generazione). Man mano che le generazioni incrementano il dendrimero diviene progressivamente più compatto ed in superficie si forma una struttura simile ad una membrana. All’interno, negli spazi rimasti tra le ramificazioni. possono essere intrappolate molecole a nostra scelta. La crescita non è infinita è si arresta con la comparsa dello ‘starburst effect’ che, per i dendrimeri PAMAM, avviene alla decima generazione.

La loro reattività consente di complessarli con varie molecole, per le quali fungono da carrier. Può trattarsi di mezzi di contrasto (es. gadolinio) che li rende utili nell’imaging in risonanza magnetica, di farmaci o acidi nucleici (molecole o frammenti di DNA ad esempio) rendendoli così adatti alla terapia genica [7]. La superficie del dendrimero non è inerte e può prestarsi a mimare funzioni proprie di molecole biologiche o ad essere utilizzato come sensore. Un dendrimero PAMAM-NH2, per esempio, con diametro stimato di soli 11,4 nm espone in superficie ben 2048 gruppi (Sigma-Aldrich).

 

Fig. 5 Rappresentazione di una classica molecola di Fullerene http://en.wikipedia.org/wiki/Fullerene

 

I Fullereni ( Fig. 5), scoperti solo nel 1975, noti anche come buckminster-fullereni, sono molecole composte da 60 atomi di Carbonio (C60) disposti a formare una sorta di sfera vuota al centro, particolarmente stabili a temperatura ambiente.

La molecola classica C60 è un icosaedro troncato con 60 vertici e 32 facce di cui 12 pentagonali e 20 esagonali. Funzionalizzata con l’aggiunta di vari gruppi chimici (aminoacidi, gruppi carbossilici, polimeri anfifilici ecc), o incapsulata in ciclodestrine, polivinilpirrrolidone, calixareni, liposomi può dare origine a derivati utili per la loro attività antivirale (HIV), per le proprietà antiossidanti, per l’incapsulamento ed il successivo rilascio dei farmaci. Come fotosensiibilizzanti potrebbero essere utili nelle terapie fotodinamiche. Alcuni dei derivati dei fullereni sono in corso di investigazione per sfruttarne la citotossicità nelle terapie antineoplastiche [8].

Fig. 6 Rappresentazione tridimensionale di vari tipi di nanotubi di Carbonio.
http://it.wikipedia.org/wiki/Nanotubo_di_carbonio

Parenti stretti dei fullereni, anch’essi composti del Carbonio sono i nanotubi (Fig. 6) che offrono interessanti potenzialità come biosensori del DNA se integrati con ssDNA (DNA a catena singola) o biosensori del glucosio (con impianti stabili per il monitoraggio della glicemia nei diabetici), per il trasporto di farmaci all’interno delle cellule, di cui subiscono la fagocitosi, particolarmente quelle neoplastiche che ne vengono distrutte. selettivamente [9].

Fig. 7 Nanobastoncelli di Oro In:
www.losarchivosdelatierra.com/salud/tag/laser

 

I nanobastoncelli o nanorods (Fig. 7) sono nano-oggetti costituiti da metalli o da semiconduttori che hanno classicamente un rapporto altezza/spessore di 3-5 con un diametro di  15-50 nm. In oro, nichel, gallio, germanio, indio, zinco, titanio, silicio ecc. hanno una numero elevato di applicazioni dalla microelettromeccanica che interessa anche la strumentazione sanitaria, all’ottica. Quelli in oro, usati nelle scienze biomediche, per studi preclinici, sono utilizzabili come marcatori  per l’imaging, per terapie foto termiche  o terapie contro neoplasie o malattie virali, sono infine utili per il trasporto ed il rilascio di farmaci, per la terapia genica o come sensori [10].

 

Fig. 8 Schema di dispositivo per drug delivery provvisto di nanopori Credit: Mauro Ferrari Ph.D. Director of the Biomedical Engineering Center at The Ohio State University-US and Silvia Gross Ricercatore at Institute of Molecular Sciences and Technologies (ISTM) of the Italian National Research Council (CNR) Retrieved in Biomedical Nanotechnology
leadershipmedica.com/scientifico/sciesett02/scientificaing/7ferrarie/7ferraring.htm

 

Per finire un’importante promessa per i diabetici, la presentano i nanopori (Fig. 8). Questi minuscoli fori di 20 nm di diametro incorporati in wafer di Silicio, in cui possono essere letteralmente ingabbiate singole cellule, possono lasciar passare nutrienti ed Ossigeno utili alla sopravvivenza cellulare e bloccare invece l’accesso a molecole di grandi dimensioni o ad  altre cellule del sistema immunitario. Un trapianto di cellule di Langherans avrebbe la possibilità di sopravvivere e ripristinare, nei diabetici la necessaria produzione di insulina [11].

Naturalmente, a seconda delle esigenze le dimensioni dei nanopori possono variare.

Quanto ai nanorobot che sono pure argomento della nanomedicina, ci limitiamo solamente a nominarli, sarebbero necessarie molte altre (troppe) pagine per descriverli.

 

   Giovanna Serenelli

 

Giovanna Serenelli MD PhD - Dipartimento Medicina Clinica e Sperimentale, Sez. Fisiopatologia. Via E. dal Pozzo - Università degli Studi di Perugia - serengio@unipg.it

 

 

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Bibliografia

[1] R. P. Feynman. “There's Plenty of Room at the Bottom” Engineering and Science, Volume 23:5, 22-36, February 1960)

[2] “Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties” The Royal Society and The Royal Academy of Engineering, Report July 2004

[3] G. Ottaviani “Nanoscienze e Nanotecnologie” Lezioni di scienze 13- ottobre 2009, Associazione Cultura e Vita, Università di Modena e Reggio E.

[4] M.B. Cortie and E. van der Lingen “Catalytic gold nano-particles” Materials Forum 26, 1-14-2002

[5] Fonte: Nanotechologies Now, 13 ottobre 2011 in: http://www.nanotech-now.com/nano_intro.htm).

[6] Fonte: Invitrogen In: http://www.invitrogen.com/site/us/en/home/Products-and-Services/Applications/Cell-and-Tissue-Analysis/Cellular-Imaging/Small-Animal-In-Vivo-Imaging-SAIVI/Qdots-for-in-vivo-Applications.html?

[7] B. Klajnert and M. Bryszewsk “Dendrimers: properties and application” Acta Biochimica Polonica 48 (1):199-208, 2001

[8] R. Bakry, Rainer M Vallant, Muhammad Najam-ul-Haq, M. Rainer, Z. Szabo, Christian W Huck, and Günther K Bonn  “Medicinal applications of fullerenes” Int J Nanomedicine 2(4): 639–649, 2007

[9] N. Wong Shi Kam, Michael O'Connell, Jeffrey A. Wisdom and H. Dai “Carbon nanotubes as multifunctional biological transporters and near-infrared agents for selective cancer cell destruction” Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102 (33): 11600-11605, 2005).

[10] Nanopartz http://www.nanopartz.com/gold_nanorods.htm)

[11] T.A. Desai, W.H. Chu, J.K. Tu, G.M. Beattie, A. Hayek, M. Ferrari, “Microfabricated immunoisolating biocapsules,” Biotechnol. Bioeng. 57(5):118-120, 1998

 

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