Un nanorobot 150 volte più piccolo del diametro di un capello umano ha ridotto la vitalità delle cellule tumorali HeLa al 16% in 72 ore, producendo un farmaco antitumorale direttamente sulla superficie cellulare. Il dispositivo è stato realizzato da un team guidato dalla prof.ssa dott.ssa Cornelia Palivan dell'Università di Basilea. Si tratta di un nanorobot modulare composto da due parti unite da DNA sintetico, descritto sulla rivista Advanced Functional Materials.
Due moduli, un aggancio in DNA
Il progetto ricorda un razzo a più stadi. Un modulo è un'unità di propulsione magnetica che muove il nanorobot. Il secondo è una capsula di carico che trasporta agenti terapeutici o enzimi fino al bersaglio e li protegge durante il tragitto.
La capsula contiene quattro vescicole polimeriche, ciascuna caricata con enzimi. Il gruppo di Palivan ha sviluppato questo tipo di vescicole in lavori precedenti. Le molecole dell'ambiente circostante entrano nella vescicola attraverso dei pori, gli enzimi le elaborano e i prodotti tornano all'esterno. A seconda della configurazione, le vescicole della capsula possono anche essere aperte in modo selettivo, per esempio per rilasciare composti bioattivi.
I due moduli sono tenuti insieme da filamenti di DNA complementari, che il team paragona a una chiusura a strappo. I filamenti presenti su ciascun modulo si appaiano, così l'unità di propulsione e la capsula di carico si assemblano da sole in modo programmabile e restano accoppiate. La capsula porta inoltre altre biomolecole che le permettono di agganciarsi a cellule o materiali specifici.
A differenza dei robot di dimensioni maggiori, queste macchine non hanno elettronica, chip né software. Sono costruite con biomolecole e nanoparticelle.
I test sulle cellule HeLa
Il team ha testato l'aggancio sulle cellule HeLa, una linea cellulare tumorale umana. I nanorobot sono stati caricati con molecole fluorescenti e osservati al microscopio. I nanorobot si sono accumulati sulla superficie delle cellule.
In un secondo test, i nanorobot trasportavano gli enzimi necessari a produrre un farmaco antitumorale. Hanno prodotto il farmaco e la vitalità delle cellule HeLa è scesa al 16% in 72 ore. Secondo la dott.ssa Voichita Mihali, prima autrice dello studio, il farmaco può agire in modo localizzato e concentrato se il nanorobot lo indirizza verso le cellule tumorali.
Il sistema non si limita alla medicina. Il nanorobot può fissarsi a superfici specifiche ed eseguirvi reazioni enzimatiche, trasformando le molecole dell'ambiente circostante nel prodotto desiderato. Poiché il modulo di propulsione è magnetico, i nanorobot possono essere recuperati al termine di un compito e riutilizzati. I ricercatori hanno anche separato i due moduli, ricaricato le capsule di carico e ricombinato le capsule con i moduli di propulsione.
Palivan spiega che i nanorobot precedenti erano spesso progettati per un solo compito, mentre questo sistema modulare può essere adattato a diverse applicazioni. Il team indica medicina, industria e tecnologie ambientali come possibili ambiti. La catalisi è un esempio al di fuori della medicina in cui recupero e riutilizzo potrebbero fare la differenza. Secondo i ricercatori, il sistema può essere adattato ad altri settori semplicemente cambiando la capsula di carico.
Il lavoro è stato svolto nell'ambito del National Center of Competence in Research – Molecular Systems Engineering e dello Swiss Nanoscience Institute. Il team di Basilea ha collaborato con ricercatori dell'Università di Heidelberg. L'articolo s'intitola Multiplex Modular Nanorobotic Systems with Catalytic Activity under Magnetic Navigation.
Cosa significa il risultato e cosa no
Il contributo principale è di tipo architetturale. Molti nanorobot sono costruiti attorno a un unico compito, quindi cambiare funzione significa riprogettare tutto. Qui propulsione, carico e funzione di aggancio sono parti separate. Cambiando la capsula di carico si cambia il compito, e l'accoppiamento in DNA permette di smontare e ricostruire le parti. L'esperimento di ricarica e ricombinazione è la prova più solida in questo senso, perché dimostra che i moduli si possono separare e riassemblare dopo l'uso.
Il risultato sul farmaco mostra qualcosa di diverso dalla semplice somministrazione. I nanorobot non hanno portato alle cellule un farmaco già pronto. Hanno trasportato enzimi che hanno prodotto il farmaco nel punto in cui i robot si erano agganciati. In questo modo il principio attivo resta sulla superficie cellulare, ed è proprio questo il senso dell'effetto locale descritto da Mihali. Si accorda anche con il progetto della capsula, dato che i pori delle vescicole lasciano entrare le molecole di partenza e uscire i prodotti.
Le prove hanno dei limiti. Tutti i risultati biologici riportati provengono da un'unica linea cellulare tumorale umana coltivata in laboratorio. La fonte non riporta test su animali o nell'organismo, e il team di Palivan descrive l'impiego sull'uomo come un obiettivo a lungo termine. Il dato del 16% di vitalità riguarda le cellule HeLa a 72 ore. La fonte non indica quanto i nanorobot siano selettivi tra cellule tumorali e cellule sane, quindi questo aspetto resta da dimostrare.
Restano aperte anche diverse questioni pratiche. La fonte non descrive come si comporti il modulo di propulsione magnetica nella navigazione attraverso i tessuti, né come regga nel tempo l'accoppiamento in DNA nei fluidi biologici. Non spiega nemmeno come i nanorobot potrebbero essere prodotti in grandi quantità. Recupero e riutilizzo sono dimostrati come proprietà del modulo magnetico e rappresentano il caso più immediato per applicazioni non mediche come la catalisi, dove i vincoli biologici sono minori.
Quanto al confronto, la fonte dice soltanto che questo sistema offre più flessibilità funzionale di molti sistemi esistenti. Non fornisce dati di confronto diretto, quindi l'affermazione poggia sul progetto e non su prestazioni misurate rispetto ad altri nanorobot. I prossimi risultati da seguire sono i test con carichi diversi sulla stessa piattaforma, perché la natura modulare dipende dalla possibilità di sostituire le capsule senza riprogettare il resto, e qualsiasi passo oltre la coltura cellulare.
