Il gruppo di ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia a Pontedera (Pisa) guidato da Gianni Ciofani ha sviluppato nuove nanoparticelle organiche che combinano per la prima volta più funzioni terapeutiche in un unico materiale
Possono essere scaldate con la luce infrarossa, rilasciare sostanze antiossidanti e stimolare con l’elettricità le cellule se attivate con gli ultrasuoni: sono le nuove nanoparticelle ideate e realizzate dal gruppo di ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) coordinato da Gianni Ciofani per dare alla nanomedicina un nuovo strumento terapeutico versatile ed efficace. È la prima volta che tre proprietà, quali l’essere piezoelettrico, fototermico e antiossidante, vengono racchiuse in un’unica struttura organica delle dimensioni di 500 nanometri. Descritte sulla rivista internazionale ACS Nano, le nuove nanoparticelle sono candidate ad essere utilizzate per agire sull’attività cellulare, con potenziali applicazioni in oncologia e nel trattamento delle malattie neurodegenerative.
Lo studio è stato condotto nell’ambito di “Technologies for Healthy Living”, uno dei programmi Flagship dell’IIT che ha l’obiettivo di studiare e sviluppare tecnologie per la salute utili ad attivare e dispensare le terapie necessarie in modo preciso. Al lavoro hanno contribuito anche gli studenti di dottorato dell’IIT con la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) di Torino.
A coordinare la ricerca è stato Gianni Ciofani, a capo del gruppo Smart Bio-Interfaces e responsabile del Center for Materials Interfaces dell’IIT a Pontedera (Pisa), dove si occupa dello sviluppo di nanomateriali intelligenti per la nanomedicina e di sistemi microfisiologici, oltre che di nanomedicina in condizioni di gravità alterata.
Le nuove nanoparticelle nascono dalla lavorazione della polidopamina, ovvero una catena lineare di molecole di dopamina, quella sostanza che nel nostro cervello agisce da neurotrasmettitore. Presa da sola la dopamina è una piccola molecola, che legandosi ad altre molecole uguali crea un polimero con proprietà adesive, la polidopamina, già impiegata in ambito biomedico per la sua compatibilità con i tessuti del corpo.
Finora questo materiale organico era stato studiato sottoforma di nanoparticelle sferiche, mentre nel lavoro di Ciofani e del suo gruppo, è stato modellato a forma di nanotubi: delle strutture cave con una lunghezza pari a circa un settantesimo di quella di un granello di sabbia, e con un diametro circa 500 volte più sottile di quello di un capello umano.
Cambiare la forma della struttura, ha mostrato lo studio, modifica le proprietà. Una delle nuove caratteristiche è la piezoelettricità, cioè se sollecitata meccanicamente, la polidopamina genera corrente elettrica. I ricercatori hanno indotto una vibrazione nel nanotubo attraverso gli ultrasuoni, determinando così una sorta di “elettrodo” privo di cavi impiantabile nei tessuti e modulabile a distanza. Tale proprietà, inoltre, potrebbe essere sfruttata per creare dispositivi bioelettronici nano o micrometrici.
“La capacità di generare corrente elettrica da una sollecitazione meccanica è una proprietà molto rara e importante per un nanomateriale organico e biocompatibile” sottolinea Gianni Ciofani, Principal Investigator all’IIT. “La piezoelettricità non era mai stata osservata nella polidopamina: la forma a tubo ha permesso di far emergere una proprietà assente nelle nanoparticelle sferiche dello stesso materiale”
Le altre due proprietà delle particelle discendono dalle caratteristiche della dopamina nella sua forma a catena, la polidopamina. È capace di assorbire luce infrarossa e scaldarsi, e quando viene sollecitata dagli ultrasuoni, rilascia molecole singole di dopamina. Due effetti che possono essere impiegati rispettivamente per stimolare l’attività delle cellule nei tessuti, come per esempio il rilascio del calcio intracellulare (alla base della comunicazione fra cellule), e per avere un’azione antiossidante, proteggendo le cellule dallo stress ossidativo e favorendone la sopravvivenza.
Matteo Battaglini, primo autore dello studio, osserva: “I nanotubi rilasciano dopamina in modo controllato e rispondono a stimoli esterni come ultrasuoni e luce infrarossa, integrando più funzioni in un’unica piattaforma”.
Per verificare la biocompatibilità dei nanotubi, i ricercatori li hanno testati su cellule in coltura, osservando che le nanostrutture vengono incorporate dalle cellule senza interferire con la loro normale attività.
I nanotubi di polidopamina, quindi, sono risultati essere una nuova classe di nanomateriali multifunzionali che potrebbe trovare impiego in oncologia, nella medicina rigenerativa, nella neurostimolazione e nello sviluppo di dispositivi bioelettronici, oltre che come possibile strumento per il rilascio controllato di molecole terapeutiche nel sistema nervoso.
Articolo: M. Battaglini, A. Marino, T. Curiale, A. Carmignani, M. Bernardeschi, M. Emanet, M. C. Ceccarelli, F. Catalano, F. Drago, S. Marras, G. Pugliese, R. Carzino, B. Torre, G. Ciofani. “Polydopamine Nanotubes: Multifunctional Smart Nanotransducers for Cellular Activity Modulation.” ACS Nano https://doi.org/10.1021/acsnano.6c05512
