USO DI CAMPI ELETTROMAGNETICI E
NANOPARTICELLE A FINI DIAGNOSTICI
E CLINICI
O.M. Bucci
4 dicembre 2006
Le nano-particelle
Le nano-particelle sono piccoli aggregati di atomi di
Nano-particles are at the crossroad between
dimensioni nanometriche. Esse costituiscono i primi
Engineering and Biology (Nanoletters, 2005)
“manufatti” alla scala delle molecole biologiche.
Esistono sostanzialmente due tipi di nano-particelle, caratterizzate da
un differente materiale costituente il nucleo.
Nano-particelle metalliche
Il nucleo è di metallo non del gruppo
dei metalli di transizione
Nano-particelle magnetiche
Il nucleo è di materiale ferromagnetico,
ferrimagnetico o antiferromagnetico
Caratteristiche e possibili applicazioni delle nano-particelle
• Le nano-particelle possono essere funzionalizzate (rivestendole con zuccheri,
fosfolipidi, alcooli) in modo da poterle legare, per mezzo di legami covalenti, a
macromolecole biologicamente attive (peptidi, proteine e acidi nucleici).
• Le ridotte dimensioni conferiscono alle nano-particelle proprietà fisiche nuove, in
particolare una notevole reattività ad un campo elettromagnetico.
Si apre la possibilità di:
• Sviluppare tecniche elettromagnetiche per la diagnosi selettiva di processi tumorali.
• Controllare processi biologici mediante campi elettromagnetici.
• Realizzare nano-macchine biologicamente attive, controllabili da remoto per
mezzo di un campo elettromagnetico.
L’utilizzo di un campo, in particolare magnetico, a RF risulta particolarmente attraente
nelle applicazioni mediche, per l’assenza di effetti collaterali e la possibilità, data la
trasparenza dei tessuti in questo intervallo di frequenze, di raggiungere regioni malate
in profondità.
Diagnosi selettiva di processi tumorali
Principali limitazioni della tomografia a microonde:
• Risoluzione limitata, soprattutto in profondità.
• Scarsa affidabilità dei risultati, dovuta alla piccolezza e variabilità delle differenze di
contrasto tra tessuto tumorale e tessuti circostanti, peraltro non omogenei.
Nella diagnostica NMR, il contrasto è creato portando selettivamente a bersaglio ioni
paramagnetici, che modificano il tempo di rilassamento dei protoni. Per superare gli
attuali limiti di risoluzione e sensibilità, si pensa di sostituire tali ioni con nano-cristalli
magnetici, sì da aumentare di ordini di grandezza le concentrazioni ottenibili.
La possibilità di portare selettivamente a bersaglio (tra l’altro, anche in relazione allo
stadio di sviluppo del tumore) nano-particelle magnetiche può essere utilizzata per
superare i limiti della tomografia a microonde, o, più in generale, per sviluppare nuove
tecniche di diagnosi elettromagnetica?
Possibili linee di indagine
• Verifica degli incrementi di contrasto ottenibili con concentrazioni realistiche e
biocompatibili di nano-particelle.
• Nell’ipotesi, probabile, che gli incrementi di contrasto ottenibili a microonde non
siano significativi, studio della possibilità di sviluppare tecniche basate sull’uso di
campi magnetici a bassa frequenza, sì da eliminare la risposta dei tessuti
circostanti, consentendo nel contempo un’elevata penetrazione.
Ipertermia localizzata e selettiva
Principali limitazioni dell’ipertermia (a microonde e RF) nella terapia antitumorale:
• Difficoltà di un efficace controllo e localizzazione degli effetti, possibile solo mediante
focalizzazione del campo.
• Difficoltà (o impossibilità) di ottenere una efficace focalizzazione in profondità.
• Impossibilità di trattare i tumori circolanti (ad esempio, le leucemie)
• L’introduzione di nano-particelle magnetiche nel tessuto tumorale consente di
aumentare la potenza dissipata, ovvero, se l’eccitazione è in campo magnetico, di
localizzarla nel solo tumore.
• Coniugando le nano-particelle a vettori molecolari, è possibile accumularle
selettivamente a livello di singole cellule tumorali.
Principali problemi aperti
• Caratterizzazione accurata, teorica e sperimentale, delle proprietà
elettromagnetiche delle nano-particelle magnetiche in soluzione acquosa.
• Individuazione del tipo (costituzione e dimensione) di nano-particella e delle
frequenze di esposizione ottimali, tenendo conto dei vincoli di biocomapatibilità.
•Valutazione preliminare delle dimensioni minime delle masse tumorali trattabili e
delle intensità di campo richieste.
• Progettazione, realizzazione e caratterizzazione di un sistema di esposizione in
vitro che minimizzi il rapporto tra campo elettrico e magnetico nella zona di
esposizione.
• Caratterizzazione termica dell’apparato di esposizione.
Nano-macchine biologiche controllabili da remoto
Le nano-macchine sono macromolecole complesse in grado di operare su scala
molecolare (nanometrica) in corrispondenza di stimoli esterni di natura chimica o fisica.
La possibilità di controllare da remoto il comportamento delle nano-macchine mediante
stimoli elettromagnetici apre prospettive estremamente attraenti in molti contesti, in
particolare in ambito medico e biologico.
Drug delivery intelligente
Il drug delivery potrebbe essere ottenuto utilizzando le nano-macchine come veicoli per il trasporto
e ilTerapia
rilasciofarmacologica
selettivo del farmaco,
il tutto controllato da remoto. Drug delivery intelligente
convenzionale
Il farmaco viene trasportato e rilasciato
La somministrazione del farmaco
direttamente alla
su di
un bersaglio
•Una
voltainnell’organismo,
la nano-macchina si lega selettivamente
cellula
bersaglio malato
sfruttando
avviene
maniera
non
selettiva.
•Raggiunto il bersaglio, l’applicazione di un segnale di controllo
induce
il
rilascio
del
farmaco.
di dimensioni cellulari
proprietà chimico-biologiche.
Svantaggi
Nano macchina
•Il farmaco aggredisce indistintamente
cellule sane e malate.
•Utilizzo di grandi quantità di farmaco.
•Limitata efficienza della terapia.
•Impossibilità di una somministrazione
continua del farmaco per lunghi periodi
di tempo. farmaco
Vantaggi
•Il farmaco aggredisce selettivamente
solo le cellule malate.
•Possibilità di utilizzo di piccole
quantità di farmaco.
•Elevata efficienza della terapia.
•Possibilità di somministrazione
continua e prolungata del farmaco.
Il primo esempio di controllo remoto di una bio-nano-macchina
mediante campo elettromagnetico
Nanocristallo d’oro
DNA non a elica
Doppia elica di DNA
Remote electronic control of DNA hybridization through inductive coupling to an attached
nanocrystal antenna - (K. Hamad-Schifferli et al., Nature January 2002).
Assorbanza UV versus tempo
Assorbanza UV versus tempo
RF
Assorbanza UV versus tempo
RF
Assorbanza UV versus tempo
RF
RF
Assorbanza UV versus tempo
RF
RF
Assorbanza UV versus tempo
RF
RF
RF
Assorbanza UV versus tempo
RF
RF
RF
Sfide e problemi aperti
Manca un approccio sufficientemente generale e rigoroso al problema, che consenta:
• una descrizione quantitativa dei fenomeni;
• lo sviluppo di sonde e metodi di misura a scala nanometrica;
• rilievi sperimentali suscettibili di un’interpretazione univoca, capaci di indirizzare la
ricerca teorico-numerica e di validarne i risultati;
• uno studio di fattibilità affidabile;
• il progetto di nano-macchine controllabili da remoto.
La vera sfida
La comprensione dei fenomeni in gioco, la dimostrazione di fattibilità
delle idee, la progettazione e la realizzazione di prototipi dimostratori,
in particolare di nano-macchine controllabili da remoto mediante
campi elettromagnetici, richiedono lo studio delle interazioni
elettromagnetiche in condizioni al confine tra fisica classica e
quantistica, nonché la necessità di una stretta collaborazione con
chimici e biologi.