Nanotecnologie nella battaglia contro il cancro

Cristina Mazzantini, N. 10 ottobre 2006

Secondo il National Cancer Institute (NCI) americano, tra qualche anno, nel 2015 per l’esattezza, sarà addirittura il medico di base ad avere a disposizione un kit che, a costi contenuti, permetterà di fare diagnosi precocissima dei tumori.
Questo traguardo, finora impensabile o utopistico, sarà probabilmente raggiunto molto presto grazie alle nanotecnologie. Seppur ancora in una fase iniziale di sviluppo, esse hanno la capacità di studiare, assemblare, manipolare e caratterizzare la materia a livello di dimensioni comprese tra 100 e 1 nanometri (ovvero un milionesimo di millimetro). Si è dunque passati, in breve tempo, dal macro al micron (ovvero dal visibile, raggiunto con il microscopio, all’invisibile). A tal proposito, è bene ricordare che gli scienziati con il termine nanotecnologie, sia pure ancora abbastanza sfumato, fanno riferimento a un insieme di tecnologie, tecniche e processi che richiedono un approccio multidisciplinare piuttosto che a una specifica area scientifica o ingegneristica. I progressi delle nanotecnologie avanzano, e lo fanno molto più velocemente delle biotecnologie. Come spiegano gli esperti, rispetto alle biotecnologie i progetti afferenti all’area delle nanotecnologie hanno tempi di realizzazione molto meno lunghi: una decina di anni per la biotech (dall’idea al lancio sul mercato, passando attraverso le numerose autorizzazioni ministeriali) e solo due-tre anni per le nanotech con lo stesso percorso progettuale.
È quindi importante chiedersi in che modo e, soprattutto, a che punto sia la ricerca sul cancro grazie alle nanotecnologie. La risposta degli esperti oncologici è unanime: le applicazioni, presenti e future, riguardano sia la diagnosi che la cura del tumore. Quindi non stupisce il fatto che con le metodologie fisico-informatiche e di scienza dei materiali, mutate dalle nanotecnologie, si vuol arrivare ad avere sistemi di riconoscimento precocissimi sulla singola cellula tumorale. Ma l’obiettivo è raggiungere la cellula, in modo che l’azione terapeutica sia circoscritta solo alla zona interessata dalla patologia, fino ad arrivare alla possibilità di bloccare il tumore senza intervenire chirurgicamente. Grandi passi sono stati fatti anche a livello medico. Sull’argomento interviene il professor Alberto Cigada, direttore del Dipartimento di Chimica dei materiali del Policlinico di Milano, che da tempo studia le applicazioni delle nanotecnologie nel campo delle neoplasie: "Tutte le tecniche antitumorali utilizzate in questo momento colpiscono anche le cellule sane. Grazie alle nanobiotecnologie, entro un anno al massimo, sarà possibile introdurre nel corpo umano nanomolecole con azione antiblastica in modo mirato, in grado di bersagliare soltanto le cellule malate". Poi il professor Cigada chiarisce: "Un metodo, quest’ultimo, che avrà grande utilizzo nel trattamento del tumore al seno e che consentirà di evitare interventi chirurgici. Entro breve, le nanotecnologie rappresenteranno l’ultima frontiera del progresso scientifico".
E ancora: "Abbiamo già, per esempio, sistemi diagnostici basati su nanoparticelle, impiegati come mezzo di contrasto per la Tac e la Rmn: in questo caso la superficie della nanoparticella è “funzionalizzata” da molecole capaci di riconoscere la zona malata". Cigada prosegue: "La nanoparticella, insomma, funziona come una bandierina che si autoimpianta e segnala che in quella precisa posizione c’è qualcosa che non va. Oppure può essere attivata da campi elettromagnetici e aumentare la temperatura dell’area neoplastica".
Quali sono gli ulteriori utilizzi delle nanotecnologie? La risposta unanime degli studiosi italiani e stranieri (americani, per primi) è che già esistono diversi sistemi di intervento terapeutico. Come, per esempio, quelli, molto interessanti e innovativi, che sfruttano i nano-vettori. Queste molecole lipidiche permettono un rilascio intelligente del farmaco. Si sta, inoltre, lavorando anche a metodi che potranno consentire di comprendere meglio i meccanismi di formazione del tumore, in modo da disattivarli. Risultato, questo, al quale hanno sempre aspirato gli oncologi senza, però, riuscirvi. Tra breve, ovvero è questione di pochi anni, tutto ciò sarà possibile grazie all’impiego quasi routinario delle nuove tecnologie.
Per vincere la battaglia contro il cancro alcuni scienziati americani, ma anche in Italia e in altri Paesi europei, stanno mettendo a punto nei propri laboratori delle nanoparticelle. Queste sono costruite su misura in modo da contenere specifiche sostanze farmaceutiche sia sulla superficie - allo scopo di riconoscere le cellule tumorali - sia all’interno, per rilasciare principi attivi letali, proprio come un proiettile preciso e dirompente. È quanto sostengono di aver realizzato ricercatori del Massachussetts Institute of Technology (MIT) di Boston, fabbricando nanoparticelle antitumorali che, intanto, sono state impiegate per guarire ratti precedentemente trattati con cellule cancerogene. In prospettiva, esse saranno destinate a test su mammiferi più evoluti, prima di affrontare la più impegnativa sperimentazione sull’uomo.
"Le nostre nanoparticelle hanno dimensioni di 150 nanometri, tali da poter attraversare la membrana cellulare", hanno spiegato i professori Robert Langer del MIT e Omid Farokzad del Brigham and Women’s Hospital di Boston, responsabili di un gruppo formato da otto ricercatori. "Il guscio esterno delle particelle è stato decorato con molecole chiamate aptameri, in grado di riconoscere le specifiche cellule tumorali che vogliono colpire e di evitare le cellule sane. Non solo: nel guscio è presente anche uno scudo molecolare di glicol polietilenico che mette al riparo dai macrofagi, le cellule che ci difendono dall’intrusione delle sostanze estranee nell’organismo". Dotate di questi requisiti che ne fanno dei proiettili precisi e corazzati, le nanoparticelle messe a punto dai ricercatori americani hanno portato nella massa tumorale dosi letali di chemioterapici piazzandole al loro interno e aggredendo, così, solo le cellule neoplastiche. "Una singola iniezione delle nostre nanoparticelle ha completamente eradicato il tumore in cinque delle sette cavie trattate, mentre nelle altre due lo ha drasticamente ridotto", hanno precisato i due portavoce del gruppo di ricerca.
Un altro utilizzo delle nanoparticelle in sperimentazione, in diverse nazioni europee (Italia compresa) e negli Stati Uniti, è quello che riguarda l’ottimizzazione della terapia antiblastica quasi adattata al singolo malato, così da creare una terapia personalizzata. Si tratta di un argomento molto in auge alcuni anni fa. Un problema assai noto alla classe medica e finora di difficile soluzione è quello di pazienti che, colpiti dal cancro, spesso soffrono per mesi prima di trovare un trattamento in grado di aiutarli. Se gli oncologi potessero vedere cosa è accaduto alle cellule tumorali subito dopo un trattamento attraverso fluorocromi o marcatori, si potrebbe cambiare o adattare velocemente la terapia farmacologica del paziente.
Perciò un gruppo di ricercatori ha sviluppato un nanosensore che può essere usato con immagini MRI per controllare le cellule tumorali marcate. Il nanosensore, sviluppato dagli scienziati del Center for Molecular Imaging Research della Harvard University e del Massachussetts General Hospital, monitorano l’apoptosi, un sistema di morte cellulare programmato. Il nanosensore può segnalare direttamente se un farmaco sta agendo o meno guardando le singole cellule. Il detector utilizza nanoparticelle di ossido di ferro, sulla cui superficie ci sono circa 15 peptidi in grado di attaccare la fosfadilicolina, un lipide che appare sulle membrane cellulari umane durante l’apoptosi.
Ching Tung, professore associato di Radiologia della Harvard Medical School che ha sviluppato il nanosensore, spiega che il suo gruppo sarebbe anche in grado di vedere i sensori all’interno del corpo umano usando la MRI, poiché le particelle di ossido di ferro sono un ottimo agente di contrasto per l’MRI. Dopo che un paziente è stato sottoposto a un trattamento per il cancro durato alcuni giorni, è possibile controllare con il nanosensore o una scansione MRI se le cellule tumorali stiano morendo.
Oggi, il solo modo per sapere se un farmaco chemioterapico sta lavorando è aspettare settimane. Almeno fino a quando il trattamento non causa un cambiamento significativo nelle dimensioni del tumore, tale da poter essere visto con tecniche convenzionali. Il professor Tung afferma che per vedere una riduzione della massa tumorale di 1 cm fino a 1/2 cm è necessario far passare diverso tempo. Sottoporre il paziente a un trattamento che non funziona è molto pericoloso: infatti, oltre a soffrire per gli effetti del cancro, il paziente è sottoposto agli effetti collaterali di un farmaco terapeuticamente inefficiente. Peggio ancora, il fallimento di una terapia che dura settimane o mesi può inattivare i sistemi di difesa delle cellule tumorali e rendere, così, inefficace una seconda terapia, potenzialmente utile. Il lavoro del professor Tung e dei suoi collaboratori è parte di uno sforzo più grande nel campo della ricerca oncologica che usa le nanoparticelle per monitorare la presenza e l’attività di cellule tumorali attraverso l’uso di tecniche di imaging. Da tempo, il professor Tung e i suoi collaboratori hanno testato i nanosensori, in laboratorio, su cellule di leucemia umana. Hanno attaccato una coda fluorescente al peptide, così da segnare quando i sensori trovano cellule in fase di apoptosi. Il prossimo passo sarà usare i complessi per immagini in vivo su animali da laboratorio, usando l’approccio MRI per vedere quale parte di un organo o di tessuto stia andando incontro a un processo apoptotico. Le nanoparticelle, molto simili all’ossido di ferro nei loro sensori, sono state approvate per l’impiego sull’uomo mentre non c’è ancora l’approvazione per i peptidi realizzati dal gruppo del professor Tung.
Queste sono solo alcune delle principali ricerche internazionali finora svolte in campo oncologico, grazie all’ausilio delle nanotecnologie. Questi studi, seppure in fase sperimentale, potranno ben presto consentire agli oncologi di sconfiggere il cancro e, al contempo, avverare le previsioni del National Cancer Institute americano. Basterà, quindi, recarsi dal proprio medico di base per avere una risposta certa del proprio male?

Un progetto Italia-USA per le nanotecnologie
È stato appena avviato un progetto internazionale che abbina le nanotecnologie alla biologia molecolare nella lotta contro il cancro. Si tratta di un progetto, frutto di una cooperazione tra Italia e USA, che coinvolge il Ministero della Salute, l’Istituto Superiore di Sanità, l’Istituto di neurobiologia e Medicina Molecolare del CNR, il Centro di Biomedicina Molecolare (CBM) dell’AREA Science Park di Trieste e, per parte statunitense, il National Institute of Health (NHI) e il National Cancer Institute (NCI). Il progetto prevede la messa a punto di un sistema di rilascio controllato di farmaci, attraverso un nanodispositivo in silicio da introdurre nell’organismo. Il nanodispositivo consentirà di portare, direttamente a ridosso di precise molecole bersaglio da trattare in funzione anti-cancro, cellule opportunamente isolate e protette dal sistema immunitario (che altrimenti le distruggerebbe), in grado di rilasciare con dosaggio predeterminato e continuo un principio attivo.
Nel caso specifico (il modello è in fase preclinica), si tratta di citochine che, su ratti di laboratorio affetti da metastasi epatiche da carcinoma colorettale, verranno testate per un trattamento chemio-immunoterapeutico, nell’ambito di una strategia terapeutica combinata antineoplastica. Il progetto di ricerca sarà in parallelo portato avanti nel CBM dell’AREA Science Park e nei laboratori dell’Area CNR di Tor Vergata di Roma. Responsabili della ricerca sono, per la parte italiana, il professor Guido Rasi dell’INMM-CNR Sezione di Medicina Molecolare, e, per la parte statunitense, il professor Mauro Ferrari del NIH-NCI.
Proprio a Ferrari, il neonato Centro di Biomedicina Molecolare dell’AREA Science Park, si è affidato per la definizione delle linee di ricerca, nominandolo presidente del Comitato scientifico. Il professore, ordinario di Medicina Interna e di Ingegneria Meccanica alla Ohio State University (USA), è considerato tra i massimi esperti mondiali di nanotecnologie. Unico italiano nel team di scienziati convocati dal Governo statunitense allo scopo di rendere inoffensivo il cancro entro il 2015, nell’ambito di un programma del National Cancer Institute, Ferrari è titolare di una ventina di brevetti nel campo delle nanotecnologie e ispiratore di varie imprese spin-off delle ricerche condotte nel campo.
Uno spin-off è anche l’obiettivo finale del progetto italo-statunitense, una volta che saranno portate a termine con successo, prima, la fase di messa a punto del sistema di somministrazione della strategia terapeutica e, poi, quella di verifica dell’efficacia antineoplastica del modello.

I broccoli eliminano le tossine cancerogene
Broccoli “spazzini” anti-tumore. Uno studio, condotto in Cina sull’uomo, rivela che il consumo di questi vegetali può aiutare l’organismo a eliminare tossine cancerogene. Un’azione “detossificante” che può ridurre il rischio di sviluppare un cancro al fegato. La ricerca, pubblicata su Cancer Epidemiology Biomarkers Prevention, è stata condotta da un gruppo di ricercatori della John Hopkins University School of Medicine e della Bloomberg School of Public Health, in collaborazione con colleghi di diversi centri oncologici di Shanghai e del Minnesota. Lo studio verso placebo è stato eseguito nella provincia di Jiangsu, vicino a Shanghai, un’area rurale in cui l’incidenza di cancro al fegato è estremamente alta, a causa del consumo di cibi contaminati da una sostanza cancerogena ambientale. Così, i germogli di broccoli sono stati coltivati in Cina e preparati sotto forma di estratto liquido (ricco di sulforafano glucosinolato), per assicurare i dosaggi standard. Un centinaio di persone ha bevuto la stessa quantità di estratto ogni giorno per due settimane, mentre un gruppo di controllo ha preso un liquido simile privo, però, di estratto di broccolo. Alla fine della ricerca, le analisi delle urine hanno mostrato che le sostanze cancerogene erano state eliminate dall’organismo ma solo nei pazienti che avevano bevuto estratto di broccoli. Non solo: con l’aumento dei livelli di derivati di sulforafano nelle urine, scendeva la quantità di Dna danneggiato, dato che può indicare una riduzione nel rischio di tumore. "Benché lo studio non esamini direttamente il cancro al fegato, è chiaro che questa malattia ha conseguenze devastanti in questa particolare regione della Cina", ha dichiarato l’epidemiologo Jian-Guo Chen del Qidong Liver Cancer Institute. "Questo studio rappresenta un passo iniziale nella valutazione di metodi alimentari per la prevenzione di questa malattia, e può essere applicabile ad altri tipi di tumori". Tanto che i ricercatori stanno pianificando ulteriori step per esaminare la quantità di prodotto ideale e le implicazioni della ricerca per altre popolazioni ad alto rischio.

Rischi e benefici delle nanotecnologie
Finora si è parlato solo dei molteplici benefici delle nanotecnologie, specialmente in campo oncologico. Ma esistono dei rischi tossicologici legati all’invasione delle nanotecnologie? Sono molti, anzi moltissimi. È quanto hanno sostenuto i numerosi esperti intervistati da Tecnology Review, rivista scientifica di settore pubblicata dal MIT di Boston. Secondo l’approfondimento firmato dal giornalista Philip Ross, "le nanoparticelle sono sempre più diffuse" e ormai hanno preso piede in quasi tutti i settori della produzione industriale. Dalle attrezzature sportive fino all’hardware informatico, sono almeno 2.000 i prodotti in commercio che usano i nanocosi. Tutti prodotti che impiegano nanoparticelle e che sono potenzialmente dannosi per la salute, come sostengono gli scienziati ingaggiati dal governo statunitense per studiare il fenomeno.
L’opinione sempre più diffusa, in parte della comunità scientifica americana, è che la natura delle nanoparticelle, dal diametro inferiore a 100 nanometri, permette ai nanocosi di addentrarsi nelle mucose e provocare reazioni negative: dalla semplice allergia fino allo sviluppo di tumori. I danni provocati dai nanocosi non interessano soltanto l’uomo, ma possono avere ricadute pesanti a livello ecologico. Gunter Oberdorster, tossicologo presso l’Università di Rochester, ha scoperto che le nanoparticelle di carbonio di un diametro compreso tra i 30 e i 35 nanometri, riescono a penetrare nelle mucose dei roditori usati come cavie da laboratorio.
D’altro canto non è la prima volta che provano a bombardare tumori con minuscoli proiettili di vario genere, forniti dalla fisica e dalla chimica: radiazioni elettromagnetiche, fasci di particelle nucleari, atomi ionizzati, molecole di specifiche sostanze. Tuttavia, stavolta, un altro gruppo di ricercatori del prestigioso MIT di Boston pensa di aver modellato proiettili di tipo biochimico molto efficaci: le nanoparticelle intelligenti. Come indica il prefisso “nano”, si tratta di corpuscoli, le cui dimensioni si misurano in miliardesimi di metro (un nanometro vale, appunto, un miliardesimo di metro), dunque così sottili da poter penetrare all’interno delle cellule. Dunque le nanoparticelle possono essere sia un’arma preziosa per sconfiggere il cancro che un nemico “pericoloso” da combattere.
Nei prossimi anni, sentiremo spesso gli scienziati impegnati con le nanotecnologie usare sia i toni entusiastici che quelli aspri e di condanna. È sempre stato così, almeno da quando l’uomo si serve della scienza per migliorare il modo di vivere.

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