Nanomateriali e batteri-cyborg uniti nella lotta contro i tumori

Se, fino ad ora, i batteri Escherichia Coli sono sempre stati presenti con utilità nella flora intestinale dell’uomo e degli animali piuttosto che all’interno di bioreattori per la produzione di insulina ricombinante, le loro applicazione in ambito medico non si concludono qui.

Infatti, combinando robotica e nanomateriali, è possibile creare dei batteri cyborg che possono essere orientati all’interno del corpo e guidati verso l’ambiente tumorale, dove rilasciano i farmaci con una precisione eccezionale. È stato l’istituto tedesco Max Planck a realizzare questa “speciale” tecnologia: lo studio e i risultati sono stati pubblicati anche sulla rivista Science Advances.

I batteri utilizzati

Con il nome Escherichia Coli si definisce una delle specie di batteri più nota. Si distinguono per essere un gruppo di batteri Gram-negativi che risiedono tipicamente nell’intestino delle persone sane.

Come microrobot medici, si distinguono dagli altri per la loro propulsione flagellare, la capacità di navigare in tessuti corporei complicati da raggiungere e la capacità di percepire gradienti fisiologici e fisiopatologici. Sono inoltre veloci e versatili, oltre che capaci di attraversare sostanze anche molto viscose. Inoltre, grazie alle innovative tecniche di ingegneria genetica, sono poco citotossici e permettono l’espressione su superficie di molecole mirate. Il punto chiave risiede però nell’attrazione spontanea di questi organismi verso ambienti con bassi livelli di ossigeno e alti livelli di acidità, caratteristiche tipiche di un tessuto affetto da tumore.

In questa sperimentazione è stato usato un sottoceppo modificato di Escherichia Coli MG1655 come unità biologica. Questi permettono di utilizzare anche GFP (una proteina fluorescente verde), di aiuto per ottenere un imaging efficace che utilizza la fluorescenza.

Funzionalizzazione dei batteri: i nanomateriali

La scelta delle varie unità artificiali da aggiungere ai batteri ha richiesto di tenere conto di alcuni parametri: dimensione, geometria, tipo di materiale e funzione. Ciò per fare in modo che sia consentita una maggiore propulsione, manovrabilità e non sia compromessa la penetrazione all’interno dei tessuti.

Sulla superficie esterna di Escherichia Coli sono stati aggiunti due elementi differenti, entrambi appartenenti alla nanoscala:

• I nanopolisomi (NL), cioè piccole vescicole sferiche dotate di membrane esterne contenenti i farmaci antitumorali. Presentano inoltre proprietà di superficie e biocompatibilità.
• Le nanoparticelle magnetiche di ossido di ferro, con la funzione di facilitare il controllo e movimento dei batteri cyborg.

Su 100 batteri, solo 86 sono riusciti nell’applicazione di queste unità artificiali sulla superficie esterna attraverso interazioni innocue e non covalenti.

Come agiscono i cyborg-batteri

La prima domanda che si sono posti i ricercatori è stata la seguente: come guidare in modo efficace questi microrobot batterici per dirigerli verso il sito tumorale? Nasce da qui la necessità di un campo magnetico che li guidi nelle direzioni desiderate per giungere fino alla zona d’interesse.

Inoltre, come liberare nell’ambiente biologico il farmaco antitumorale dalle vescicole diligentemente trasportate dai cyborg? Si utilizzano a questo scopo dei laser a infrarossi per far sciogliere queste piccole vescicole “contenitore”, permettendo il rilascio del principio attivo solo dove è effettivamente necessario.

Da qui si può facilmente comprendere quanto questa nuova tecnologia possa essere utile ai fini di sviluppare una terapia antitumorale microinvasiva e di precisione.

Unica nota negativa: i batteri hanno tempi di moltiplicazione molto brevi (20 minuti in condizioni ottimali) e ciò comporta il fatto che le unità artificiali dei microrobot vengano potenzialmente perse nella fase di crescita, provocando una diminuzione dell’efficienza e un indebolimento dell’orientabilità magnetica per periodi lunghi di tempo.