Fibroina della seta: dal bozzolo al filamento serico in campo biomedicale

<<L’espressione più eccitante da ascoltare nella scienza, quella che annuncia le più grandi scoperte, non è “Eureka”, ma “Che strano”>>, sosteneva il biochimico russo Isaac Asimov, ed è proprio quello che verrebbe da pensare davanti al bozzolo di una larva Bombyx mori, meglio conosciuta come baco da seta, che diventa un filamento serico per applicazioni in campo biomedicale.

In effetti la seta, prima di essere una fibra tessile, è un biopolimero, che grazie alle sue straordinarie proprietà biologiche e funzionali, sta acquisendo posizioni interessanti nel settore dei biomateriali per lo sviluppo di svariate applicazioni in diversi campi, che vanno dall’ingegneria tissutale alla microelettronica.

La maggior parte della seta è costituita da una proteina fibrosa detta fibroina (80% circa) e da una proteina gommosa amorfa chiamata sericina. L’utilizzo in campo biomedicale può avvenire, tuttavia, solo in seguito alla rimozione della sericina, a causa degli effetti di ipersensibilità e immunogenicità scatenati dalla fibra di seta completa. Ad essere utilizzata, quindi, è la sola fibroina, un polimero con un’elevata biocompatibilità, che non provoca reazioni di rigetto da parte del sistema immunitario, non induce la formazione di trombi, produce membrane permeabili all’ossigeno e al vapore acqueo e consente l’adesione delle cellule alla sua superficie, promuovendone e accelerandone la crescita.

Altre importanti proprietà che rendono la fibroina della seta un biomateriale altamente competitivo nel settore biomedicale sono la sua biodegradabilità, ovvero la capacità di scomporsi in componenti di minor peso molecolare senza causare risposta infiammatoria da parte dell’organismo ospite, a differenza di quanto accade con materiali di natura sintetica, poiché i suoi prodotti di degradazione finali sono gli amminoacidi che vengono facilmente riassorbiti dall’organismo e la sua facile sterilizzazione che può essere effettuata senza causare la degradazione del polimero stesso, come invece accade ad altre proteine fibrose.

Applicazioni nel campo dell’ingegneria tissutale

L’applicazione in campo medico della fibroina della seta in realtà non è del tutto una novità, in quanto già da secoli viene impiegata come filo da sutura per le sue ottime proprietà meccaniche e di non rigetto da parte del sistema immunitario dell’organismo ospite. Particolarmente innovativo è, invece, l’approdo all’ingegneria tissutale, ambito in cui la fibroina viene impiegata  nella realizzazione di scaffolds, ovvero particolari membrane con elevate capacità di supporto e adesione per cellule di diverso tipo, che promuovono e accelerano la crescita cellulare favorendo la riparazione dei tessuti in vivo. Alla Tufts University di Boston hanno eseguito in tal senso diversi esperimenti sul tessuto nervoso, reni, legamenti e cartilagini.

Applicazione nel campo farmacologico e terapeutico

Un’altra applicazione recente è l’uso della fibroina di seta per il rilascio controllato di farmaci a organi prestabiliti e per il monitoraggio di alcune patologie, grazie alla realizzazione di pellicole solide ultrasottili e idrogel in cui incapsulare molecole farmacologiche, macromolecole bioattive come enzimi o diversi tipi di cellule. La rivista “Nature Nano-technology” racconta che, ricorrendo a tale tecnologia, attualmente un team sudcoreano ha realizzato un dispositivo in grado di rilevare i movimenti e le contrazioni muscolari involontarie nei pazienti affetti dal morbo di Parkinson e di rilasciare la giusta dose di farmaco al momento opportuno. Analogamente, un gruppo di ricercatori dello Swiss Federal Institute of Technology riesce a monitorare pazienti affetti da glaucoma attraverso speciali lenti a contatto.

Per completare il quadro dei benefici ottenuti grazie all’impiego della fibroina in campo farmacologico, occorre aggiungere che i ricercatori della Tuft University (PNAS, 2012) hanno, inoltre, scoperto che la fibroina funziona come stabilizzante, in grado di preservare l’efficacia sia di vaccini, sia di farmaci, anche quando questi sono esposti a temperature superiori ai 60 gradi. Ciò dipende dalle catene degli aminoacidi della fibroina che compongono fogli cristallini, dotati di numerose piccole tasche, che intrappolano le biomolecole e le proteggono da umidità e temperature elevate, replicando, in pratica, il funzionamento di un imballaggio di plastica a bolle, il pluriball, su scala nanometrica. Sfruttando questa importante proprietà ci sarebbero importanti ripercussioni nei Paesi in via di sviluppo, nei quali le modeste infrastrutture rendono molto difficile il mantenimento della catena del freddo, indispensabile per conservare tali farmaci.

Applicazione nel campo della microelettronica

Sempre il dipartimento di ricerca della Tuft University è riuscito nell’intento di creare un dispositivo capace di controllare le infezioni batteriche che possono manifestarsi in seguito ad un’operazione chirurgica in grado di dissolversi in maniera programmata, una volta guarita la lesione, e di essere, quindi, assorbito dall’organismo ospite. Si tratta di un adesivo in seta, contenente dei microcircuiti, da posizionare durante un’operazione in prossimità di una frattura o di una protesi e che grazie ad un comando wireless dall’esterno, consente l’attivazione del circuito, creando così una micro-corrente in grado di eliminare i microrganismi.

L’ulteriore passo è stato, dunque, quello di impiegare la fibroina di seta nel settore della microelettronica: esistono infatti sensori per il monitoraggio di parametri quali la frequenza cardiaca e la temperatura corporea o speciali “fogli di seta” che posizionati a livello cardiaco o cerebrale  registrano l’attività elettrica di questi due organi, traducendo,ad esempio in pazienti paralizzati, i pensieri in movimenti del cursore del computer o di braccia robotiche.

A questo proposito è doveroso citare il sistema messo a punto dalla Pennsylvania School of Medicine di Philadelphia, che prevede l’impiego di bio-elettrodi di seta impiantabili nel cervello umano e che scongiura l’utilizzo di aghi invasivi che penetrano nel tessuto cerebrale, ricorrendo sostanzialmente ad un reticolo che avvolge il cervello e garantendo migliori risultati rispetto alle già note tecnologie. Il sistema permette di costituire uno strumento per curare l’epilessia, lesioni della spina dorsale e altre patologie neurologiche.

Straordinari e molteplici sono quindi gli utilizzi di tale “nuovo vecchio biomateriale”, che consente la realizzazione di dispositivi high-tech in grado di rivoluzionare diversi settori della biomedicina e della bioingegneria. La fibroina di seta è la dimostrazione che non vi è nulla di più vecchio della novità: è curioso, infatti, osservare come la più alta tecnologia sia in tal caso resa possibile da un materiale antico migliaia di anni.