In Aleph, da oltre trent’anni, realizziamo laboratori nei quali le ricercatrici e i ricercatori amino lavorare per rendere il mondo un posto migliore. E quello che vi raccontiamo oggi è un progetto davvero speciale!
È bresciano Ciro Chiappini, giovane scienziato proveniente da Saló, il quale ha messo a punto, insieme al suo team di ricercatori del King’s College di Londra, un modo innovativo e meno invasivo per condurre le biopsie, utilizzando cerotti rivestiti con nanospine in silicio.
Lo studio è stato pubblicato sulla famosa rivista d’elezione Nature Nanotechnology.
Le sue ricerche fondono tra loro concetti di nanotecnologia, bioingegneria e biologia ai fini di ricreare materiali funzionali progettati per interagire con cellule e ambienti biologici.
«L’idea di questa ricerca nasce 15 anni fa» sottolinea il dottor Chiappini, «quando abbiamo sviluppato un metodo per produrre nanoaghi in maniera semplice, economica e riproducibile. Inizialmente li abbiamo testati per il rilascio di farmaci per terapie geniche scoprendo la loro efficacia nell’accedere all’interno delle cellule in maniera non tossica. Allora abbiamo pensato di utilizzare lo stesso approccio per estrarre il contenuto molecolare di ciascuna cellula senza disturbarla.»
Cosa rende questo nuovo approccio vincente rispetto alle biopsie tradizionali?
«Una biopsia tradizionale preleva un campione di tessuto dal corpo, che viene poi analizzato in laboratorio per diagnosticare malattie come tumori o infezioni. È una procedura fondamentale per ottenere una diagnosi certa.
Di solito si usa un ago o un piccolo bisturi per prelevare il tessuto, a volte guidati da ecografia o TAC. L’area viene anestetizzata e poi il campione viene inviato in laboratorio per l’analisi. Anche se si tratta di una procedura sicura, è dolorosa ed invasiva, e richiede tempo per il recupero.
Il nostro nuovo dispositivo permette di raccogliere informazioni dalle cellule senza rimuovere tessuto in modo invasivo.
È come fare una biopsia invisibile: più delicata, meno dolorosa e potenzialmente più sicura.
Questo approccio potrebbe aiutare a superare la paura che molti pazienti provano verso la biopsia, rendendo più facile ottenere diagnosi precoci e iniziare i trattamenti in tempo.»
Che cosa sono le nanospine?
«I nanoneedles sono aghi microscopici, progettati per interagire delicatamente con le cellule senza danneggiarle», dice il professor Chiappini. «Vengono utilizzati sia per trasportare farmaci, geni o segnali all'interno delle cellule che per anche prelevare campioni molecolari direttamente dall'interno delle cellule, come RNA, proteine o metaboliti, offrendo così un modo innovativo per studiare ciò che accade al loro interno senza distruggerle.
Grazie alle loro dimensioni e versatilità, i nanoneedles possono essere incorporati in dispositivi medici comuni, come garze per ferite, lenti a contatto o sonde endoscopiche. Questo permette di applicarli esattamente dove servono, anche durante procedure cliniche di routine, aprendo la strada a una medicina più precisa, mirata e meno invasiva.»
In che modo vengono realizzati questi nanoaghi?
Vengono realizzati usando le stesse tecniche di microfabbricazione sviluppate per l’elettronica, adattate però per applicazioni biomediche.
«Il processo parte con la fotolitografia», racconta il ricercatore, «una tecnica che usa la luce per disegnare sulla superficie di un wafer di silicio il modello iniziale dei nanoaghi.
È come creare una maschera in miniatura, che definisce esattamente dove ogni nanospina dovrà trovarsi.
Successivamente, utilizziamo un approccio innovativo chiamato metal-assisted chemical etching. In questa fase, un sottile strato di metallo guida una reazione chimica che scava il silicio in profondità, creando nanopilastri che sono già porosi, cioè pieni di minuscoli canali i quali migliorano l'interazione con le cellule.
Infine, questi nanopilastri vengono trasformati nella loro forma finale, affusolata e appuntita, tramite una tecnica chiamata reactive ion etching. Questa tecnologia usa un plasma di gas per rifinire ogni nanospina con grande precisione, dandole la forma e le dimensioni desiderate.
L’intero processo è composto da pochissimi passaggi, può essere eseguito su wafer fino a 18 pollici di diametro (gli stessi usati per i chip più avanzati) e permette di produrre grandi quantità di nanoaghi in modo economico, preciso e scalabile. È proprio questa sinergia tra elettronica e biomedicina a rendere possibile la realizzazione di dispositivi avanzati per la salute del futuro.»
Quando gli abbiamo chiesto di darci un’idea di quanto siano sottili questi aghi, ha risposto che sono talmente piccoli da non vedersi a occhio nudo, ma abbastanza affilati da attraversare la membrana di una cellula senza romperla.
Un nanoneedle è circa mille volte più sottile di un capello umano: il suo diametro è nell’ordine di poche centinaia di nanometri, ovvero un milionesimo di millimetro.
Questi aghi sono composti da silicio poroso, scelto come materiale d’elezione, che deriva dai wafer di silicio, gli stessi usati per costruire i chip dei computer.
«Rendendo il silicio poroso» dice il professore, «otteniamo due vantaggi fondamentali: innanzitutto, il materiale diventa biodegradabile e si dissolve rapidamente all’interno del corpo, rendendolo sicuro per applicazioni mediche temporanee. In secondo luogo, la porosità consente di assorbire una quantità maggiore di molecole biologiche, migliorando la qualità e la sensibilità del campionamento molecolare all'interno delle cellule o dei tessuti.»
Cosa rende possibile quindi la comunicazione tra le nanospine e le cellule del nostro corpo?
«I nanoneedles si interfacciano in modo molto stretto con la membrana delle cellule, creando un contatto intimo che permette lo scambio di materiali tra l’interno della cellula e l’esterno. Questo scambio può avvenire attraverso una combinazione di meccanismi, tra cui la formazione temporanea di pori nella membrana, il rimodellamento della membrana stessa e l’aumento dell’endocitosi, il processo naturale con cui la cellula ingloba sostanze dall’ambiente circostante.
Questa interazione avviene senza distruggere la cellula, permettendo di introdurre o prelevare molecole in modo controllato e delicato. È proprio questa capacità di dialogare con le cellule dall'esterno, senza danneggiarle, che rende i nanoneedles uno strumento così innovativo e promettente per la medicina e la ricerca.»
Se ci spostiamo sul campo applicativo e proviamo a pensare alle molteplici applicazioni in medicina, dobbiamo puntare alla principale caratteristica di questa nuova tecnologia ossia la capacità dei nanoneedles di interagire con le cellule in modo preciso e non invasivo.
A tal proposito il ricercatore ci racconta che «una delle applicazioni principali è la terapia genica in vivo, ad esempio per accelerare la guarigione delle ferite croniche, come quelle causate dal diabete o da malattie genetiche rare della pelle.
Le nanospine possono portare direttamente i geni terapeutici nelle cellule della pelle, aiutandole a rigenerarsi più rapidamente.
Un altro campo promettente è quello delle terapie cellulari, dove le nanospine permettono di modificare geneticamente cellule come i linfociti T, utilizzando sistemi come CRISPR, per renderle più efficaci contro il cancro. Questo approccio potrebbe migliorare trattamenti già esistenti, come le terapie CAR-T.
Infine, le nanospine possono essere utilizzate per il prelievo non invasivo di materiale biologico direttamente dalle cellule, aprendo la strada a una nuova generazione di biopsie invisibili, che potrebbero aiutare a diagnosticare malattie in modo più sicuro, rapido e senza dolore.»
Pensando alle applicazioni future delle nanospine, ci chiediamo se, data la loro capacità di consegnare farmaci o altre molecole terapeutiche direttamente alle cellule tumorali, possano essere d’aiuto nella cura dei tumori. Chiappini ci risponde che i nanoneedles offrono grandi potenzialità in oncologia, ma non sono pensati per rilasciare farmaci direttamente nei tumori profondi o su larga scala, perché non accedono al bulk del tessuto come fanno altre tecnologie sistemiche. Tuttavia, il loro contributo può essere altrettanto importante in due ambiti chiave.
Il primo è la diagnosi precoce, grazie alla possibilità di eseguire biopsie invisibili, in quanto i nanoneedles possono prelevare in modo non invasivo campioni molecolari da cellule sospette - ad esempio nella pelle, nella mucosa orale o in tessuti accessibili - senza danneggiarle. Questo potrebbe facilitare il monitoraggio di mutazioni, biomarcatori o cambiamenti molecolari precoci associati allo sviluppo di tumori.
Il secondo ambito riguarda le terapie cellulari contro il cancro, come le CAR-T, dove i linfociti del paziente vengono ingegnerizzati in laboratorio per riconoscere e attaccare le cellule tumorali. I nanoneedles possono essere usati per modificare geneticamente queste cellule in modo preciso ed efficiente, ad esempio introducendo sistemi CRISPR, senza ricorrere a virus o ad altre tecniche più rischiose. Questo approccio può rendere le terapie più sicure, rapide ed economicamente sostenibili.
«In sintesi, i nanoneedles non rilasciano farmaci direttamente nel tumore, ma possono avere un ruolo cruciale nel migliorare diagnosi e trattamenti mirati, rendendo l’oncologia più personalizzata e meno invasiva.»
Al momento il dispositivo è stato testato con successo nei modelli preclinici, ad esempio nei topi, dove ha dimostrato di essere sicuro ed efficace. Il prossimo passo sarà proprio quello di portarlo all’uomo, attraverso uno studio clinico. «Stiamo attualmente raccogliendo i fondi necessari e preparando tutta la documentazione per ottenere l’autorizzazione da parte degli enti regolatori», conclude il professore entusiasta.
Infine, parlando di ricerca, quando gli chiediamo perché si sia spostato a Londra, il dottor Chiappini ci racconta che: «In contesti come quello britannico, la ricerca gode spesso di maggiore continuità nei finanziamenti, strutture più snelle per la gestione dei progetti e una cultura fortemente collaborativa e interdisciplinare. Questo rende più facile trasformare un’idea in un progetto concreto e arrivare fino all’applicazione clinica o tecnologica.»
Parlando della situazione della ricerca in Italia, il professore pensa che nel nostro paese ci siano eccellenze straordinarie e ricercatrici e ricercatori di altissimo livello che, purtroppo, spesso si scontrano con una burocrazia più rigida e risorse più limitate.
«Il talento non manca ma servirebbero più investimenti strutturali e più fiducia nel sistema della ricerca, soprattutto per trattenere i giovani. Personalmente, vivere a Londra mi ha dato l’opportunità di lavorare in un ambiente dinamico e molto aperto all’innovazione, ma conservo un forte legame con l’Italia e collaboro attivamente con colleghi e istituzioni italiane».
Conclude la nostra intervista con una frase meravigliosa:
«La scienza non ha confini, e il futuro della ricerca (ovunque si faccia) passa dalla capacità di creare reti e condividere conoscenze.»