La forma della nanomedicina

Esiste una linea sottile tra la vita e tutto il resto. Più sottile di quanto si possa pensare. Circa 4-5 nm, se vogliamo essere precisi. Bistrati di lipidi tenuti insieme da interazioni non covalenti impediscono alle molecole e agli ioni di muoversi liberamente, dentro e fuori da tale barriera (Nicolson 2014). All'interno della barriera, segregato in questo ambiente chimicamente distinto, troviamo un complesso meccanismo in cui le proteine e gli acidi nucleici sono gli ingranaggi alimentati dalla scissione degli zuccheri. Una via un po’ tortuosa per arrivare ad introdurre una cellula e la sua membrana plasmatica.

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Oggi voglio parlare brevemente di come le molecole si diffondono all'interno delle cellule, come virus e batteri si sono evoluti per favorire o evitare l'interiorizzazione delle cellule e come possiamo trarre ispirazione dalla natura per progettare la nanomedicina.

Dato che ci sarebbero un sacco di cose da dire su ciascuno degli argomenti che toccherò in questo post, ho deciso di limitarmi a trattarli brevemente, altrimenti finirei per scrivere un libro invece di un post.

Se la membrana cellulare fosse composta solo da lipidi, il trasporto di molecole da un lato all’altro sarebbe estremamente difficile. Fortunatamente, abbiamo anche le proteine transmembrana. Alcune di queste proteine agiscono letteralmente come pompe, consentendo selettivamente agli ioni di entrare e uscire dalle cellule, mentre altre proteine consentono il cross-talk tra la cellula e l'ambiente esterno. Queste proteine sono chiamate recettori e, in senso figurato, sono gli occhi e le orecchie delle cellule, che le usano per capire cosa succede nelle vicinanze.

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Quando una cellula ingerisce macromolecole parliamo di endocitosi, mentre quando le cellule “sputano” macromolecole parliamo di esocitosi. Esistono diversi tipi di endocitosi. Per usare un'analogia, possiamo dire che la pinocitosi è l'equivalente cellulare del "bere" mentre la fagocitosi è l'equivalente di "inghiottire", in questo caso grandi particelle.

Nel termine pinocitosi includiamo i termini macropinocitosi, clatrina e endocitosi caveolina-mediata e tutti i meccanismi che permettono alle cellule di "inghiottire" entità inferiori a 150 nm (Conner and Schmid 2003).

Con il termine fagocitosi descriviamo l'ingestione di entità più grandi, maggiori di 250 nm. Generalmente, questo compito viene eseguito da cellule specializzate come macrofagi, cellule dendritiche e neutrofili allo scopo di eliminare i detriti cellulari e liberarsi dei microrganismi che cercano di intrufolarsi nel nostro corpo.

Prima di passare ad altri concetti volevo solo sottolineare che anche la velocità di questi meccanismi di endocitosi è diversa. Ad esempio, l'endocitosi caveolina-mediata, usata per trasportare le proteine del siero, è lenta mentre l'endocitosi clatrina-mediata è un forma di endocitosi mediata dai recettori ed è veloce (Kinnear et al. 2017).

Tuttavia, gli ioni e le piccole molecole non sono le uniche cose che riescono ad entrare nelle cellule. Ci sono microrganismi che hanno sviluppato caratteristiche speciali che consentono loro di aggirare i meccanismi di difesa delle cellule e di "intrufolarsi" anche all'interno. Ad esempio, i virus. Esistono virus di tutti i tipi e dimensioni e se Darwin ci ha insegnato qualcosa è che se virus e batteri di una certa forma sono stati selezionati e sono sopravvissuti per tutto questo tempo, un motivo c'è (Cui et al. 2016).

D’altra parte, gli studi hanno dimostrato legami significativi tra forma e attività biologica delle particelle. Sì è dimostrato che la forma può determinare l'assorbimento, la biodistribuzione, la tossicità e la risposta infiammatoria delle particelle (Wang et al. 2011).

Diversi tipi di virus devono essere internalizzati per poter infettare una cellula e alcune delle forme più favorevoli all'internalizzazione della cellula sono la sfera e l'icosaedro.

Se guardiamo invece ai batteri, possiamo vedere una grande varietà di forme, da quelle sferiche a quelle a bastoncino. Occorre considerare che la forma più energeticamente favorevole sarebbe quella sferica: per un batterio è costoso mantenere una forma a bastoncino perché contraria alla pressione osmotica interna, ciò significa che se esistono a tutt’oggi batteri con una forma a bastoncino, dev’essere perché il loro sforzo viene sufficientemente ripagato.

In effetti, la maggior parte dei batteri non vuole essere assorbita dalle cellule dei mammiferi, ma vuole rimanere all’aperto, essere in grado di muoversi in modo efficiente e ottenere i nutrienti di cui ha bisogno dall’ambiente.

Un’efficace assunzione di nutrienti è fondamentale per la sopravvivenza dei batteri e la forma che massimizzerebbe tale scopo sarebbe una forma a disco sottile. Tuttavia, non si conoscono molti batteri a forma di disco. Perché? Ad esempio, alcuni studi hanno scoperto che i batteri che hanno una forma di filamento, come la Legionella pneumophila, sono molto difficili da uccidere per i nostri "fagociti di professione", perché sono più difficili da inglobare rispetto ai batteri sferici (Horvath et al. 2011; Young 2006).

Altre forme, come ad esempio quelle elicoidali, si sono dimostrate favorevoli al movimento dei batteri in ambienti viscosi, come quelli che si possono trovare nel muco intestinale (Lee et al. 1986).

E i bastoncini?

Beh, alcuni ritengono addirittura che fosse la forma dei primi batteri apparsi sul nostro pianeta (Koch 2003). L'attività biologica dei microrganismi a forma di bastoncino dipende dalle loro dimensioni. È stato, infatti, accertato che per le cellule è estremamente faticoso inglobare bastoncini più lunghi di 500 nm, mentre bastoncini più piccoli di 300 nm sono effettivamente più facili da internalizzare rispetto, ad esempio, ad un microorganismo di forma sferica (Kinnear et al. 2017). Non a caso il virus del mosaico del tabacco, che ha una forma a bastoncino, è di 300 x 18 nm. Tuttavia, i bastoncini hanno anche altri vantaggi: i batteri a forma di bastoncino hanno una migliore motilità e possono anche più facilmente attaccarsi ai fluidi in moto perché riducono al minimo lo sforzo di taglio orientandosi a favore del flusso stesso (Shen et al. 2012).

Ok, potreste dirmi, tutto questo è molto interessante… ma quindi?

In molti casi, sarebbe auspicabile introdurre i farmaci direttamente all'interno delle cellule, ad esempio per uccidere cellule cancerose o per effettuare una terapia genica ancor più efficace. Sappiamo che l'utilizzo di particelle come veicolo per i farmaci ha diversi vantaggi quali ad esempio effetti maggiormente prolungati, maggiore durata di conservazione e rilascio controllato. Tuttavia, oggi abbiamo imparato molto sulle particelle e soprattutto su come renderle di forme diverse.

Alcune delle forme che possiamo attualmente impartire alle particelle. Immagine adattata col permesso della fonte (Kinnear et al. 2017). Copyright 2017 American Chemical Society (screenshot della liberatoria in calce)

Possiamo facilmente creare bastoncini, dischi o sfere. La natura ha già fatto buona parte del lavoro per noi e semplicemente osservando i vantaggi evolutivi dei microrganismi nelle loro diverse manifestazioni possiamo stimare la giusta forma di particelle da utilizzare per un particolare scopo.

ci sarebbe molto altro da dire, ma sono già le 2 del mattina quindi la chiudo qui perché non riesco a tenere gli occhi aperti, ho finito il caffè e il mio cervello ha iniziato la procedura di spegnimento... 3 2 1... beeeeep

Fonti:

Conner, Sean D, and Sandra L Schmid. 2003. “Regulated Portals of Entry into the Cell.” Nature 422(6927): 37–44. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12621426.
Cui, Jiwei et al. 2016. “Nanoengineered Templated Polymer Particles: Navigating the Biological Realm.” Accounts of chemical research 49(6): 1139–48. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27203418.
Horvath, Dennis J et al. 2011. “Morphological Plasticity Promotes Resistance to Phagocyte Killing of Uropathogenic Escherichia Coli.” Microbes and infection 13(5): 426–37. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21182979.
Kinnear, Calum et al. 2017. “Form Follows Function: Nanoparticle Shape and Its Implications for Nanomedicine.” Chemical reviews 117(17): 11476–521. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28862437.
Koch, Arthur L. 2003. “Were Gram-Positive Rods the First Bacteria?” Trends in microbiology 11(4): 166–70. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12706994.
Lee, A, J L O’Rourke, P J Barrington, and T J Trust. 1986. “Mucus Colonization as a Determinant of Pathogenicity in Intestinal Infection by Campylobacter Jejuni: A Mouse Cecal Model.” Infection and immunity 51(2): 536–46. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2935499.
Nicolson, Garth L. 2014. “The Fluid-Mosaic Model of Membrane Structure: Still Relevant to Understanding the Structure, Function and Dynamics of Biological Membranes after More than 40 Years.” Biochimica et biophysica acta 1838(6): 1451–66. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24189436.
Shen, Yi et al. 2012. “Flow Directs Surface-Attached Bacteria to Twitch Upstream.” Biophysical journal 103(1): 146–51. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22828341.
Wang, Jin, James D Byrne, Mary E Napier, and Joseph M DeSimone. 2011. “More Effective Nanomedicines through Particle Design.” Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany) 7(14): 1919–31. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21695781.
Young, Kevin D. 2006. “The Selective Value of Bacterial Shape.” Microbiology and molecular biology reviews : MMBR 70(3): 660–703. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16959965.