Come una chiave nella serratura
Uno degli obiettivi più ambiziosi della scienza è imitare i meccanismi biologici e naturali. Ne abbiamo alcuni esempi nelle ali degli aerei, progettate imitando la forma di quelle degli uccelli, o nei materiali autoguarenti ispirati alla capacità della pelle di rigenerarsi. Con la tecnologia dei polimeri a impronta molecolare (Mip) entriamo nel mondo dei materiali intelligenti, progettati per riconoscere selettivamente una molecola specifica. Questa tecnica, ispirata ai meccanismi naturali, è usata per rilevare contaminanti in acqua e cibo, nell’analisi forense e persino in medicina. A raccontarci questa nuova frontiera è Caterina Cristallini dell’Istituto per i processi chimico fisici del Cnr
I polimeri a impronta molecolare (Mip) sono materiali sintetici “intelligenti”, progettati per riconoscere una molecola specifica, detta template o stampo. Le loro applicazioni si estendono ad ambiti diversi, che spaziano dall’ambiente all’alimentare, dalla biotecnologia alla biomedicina. Nel settore farmaceutico, ad esempio, si distinguono per la capacità di individuare, legare o rimuovere molecole di piccole dimensioni, come farmaci, pesticidi e vitamine, ma anche molecole più grandi, come enzimi, anticorpi e proteine, fino ad arrivare a virus e cellule intere.
Si tratta di una delle innovazioni più promettenti nel campo della chimica e delle biotecnologie. Il principio alla base è tanto semplice quanto geniale: il polimero viene inizialmente formato in presenza di una molecola template, che funge da stampo. Una volta rimosso il template, nel materiale rimane un’impronta selettiva, capace di riconoscere proprio quella molecola e nessun’altra. Un meccanismo che richiama il celebre modello “chiave-serratura” per spiegare l’interazione tra enzimi e substrati.
“Già nel 1894, Fischer presentò il famoso concetto ‘chiave-serratura’ per spiegare il modo in cui un substrato interagisce con un enzima. In questo modello, il substrato si adatta, come una chiave in una serratura, nei siti attivi dell’enzima. Lo studio delle complesse interazioni tra le specie molecolari e la loro capacità di simulare fenomeni di legame che avvengono in natura ha affascinato gli scienziati, che stanno tentando di trasferire queste informazioni a nuove strategie di produzione per realizzare anticorpi o recettori artificiali, con il vantaggio di essere più stabili, riutilizzabili e a basso costo rispetto alle molecole naturali, pur mantenendone la capacità di riconoscimento selettiva”, spiega Caterina Cristallini dell’Istituto per i processi chimico fisici (Ipcf) del Cnr.
Modello “chiave-serratura” proposto Fischer nel 1894
Le applicazioni dei Mip, che si ispirano proprio a questo modello “chiave serratura”, sono attualmente più numerose e in continua evoluzione. Ad esempio, integrati con sensori, possono individuare contaminanti come antibiotici, metalli pesanti, pesticidi ed erbicidi nel cibo e nelle acque. “L’industria e le agenzie ambientali richiedono sensori per il monitoraggio continuo, da qui la crescente domanda di dispositivi point-of-use e di kit per test, da eseguire nel momento e nel luogo, per individuare le fonti di contaminazione in campioni di cibo, acqua e suolo. Si tratta di una risposta concreta alla crescente esigenza di monitoraggio continuo delle risorse idriche e alimentari”, aggiunge la ricercatrice.
In ambito forense, la loro elevata specificità li rende ideali per analizzare campioni complessi. “Possono giocare un ruolo fondamentale per l’analisi di campioni come l’identificazione e l’estrazione di droghe, di additivi illeciti o di tracce di esplosivi da matrici biologiche e non. E in futuro, per le applicazioni forensi sarà essenziale sviluppare protocolli standardizzati in modo da sfruttare al meglio le loro importanti potenzialità”, continua l'esperta.
Oggi, però, questa tecnologia mostra il suo volto più innovativo nel campo della biomedicina. I Mip possono essere progettati per il rilascio controllato di farmaci, rispondendo a stimoli chimico-fisici e indirizzando il principio attivo verso recettori cellulari specifici. Studi pionieristici hanno esplorato nanoparticelle Mip per la terapia oncologica, capaci di veicolare dosi elevate di farmaco direttamente alle cellule tumorali. Altri progetti riguardano scaffold intelligenti per la rigenerazione del tessuto cardiaco post-infarto e patch modificati con nanoparticelle Mip per ridurre il rimodellamento negativo del cuore. “Sin dagli inizi della mia attività di ricerca, l’intento è stato quello di comprendere come la tecnica a impronta molecolare, fino ad allora destinata ad applicazioni analitiche o biosensori, potesse essere trasferita con successo al settore dei biomateriali per un approccio terapeutico nei confronti di una vasta gamma di patologie. Studi su nanoparticelle Mip per il trattamento mirato di processi tumorali hanno indicato la loro capacità di indirizzare una dose elevata di principio attivo verso le cellule malate e di essere internalizzate per una potenziale terapia genica. Inoltre, al fine di ridurre il processo di rimodellamento negativo post-infarto, studi recenti, sia in vitro sia in vivo, sono stati condotti su patch da applicare sul cuore”, conclude Cristallini.
In sintesi, i Mip hanno dimostrato un enorme potenziale in diversi ambiti, soprattutto nel settore biomedicale per la terapia oncologica e rigenerativa, anche se restano sfide da affrontare prima di un impiego clinico su larga scala. Servono ulteriori studi per ottimizzare la loro produzione e verificarne efficacia e sicurezza attraverso test preclinici e clinici. Tuttavia, le caratteristiche straordinarie di questa tecnologia la rendono uno strumento promettente per la diagnostica e la terapia di numerose patologie, sia genetiche sia acquisite, e per questo motivo si prevede che l’uso di questi “anticorpi artificiali” sia destinato a crescere.
Fonte: Caterina Cristallini, Istituto per i processi chimico fisici, caterina.cristallini@cnr.it