Nanorobot in medicina presto potrebbero curare le malattie più gravi

Posted on by Portalinoweb
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Nano robot usati in medicina

Immagina di poter somministrare un farmaco capace di raggiungere una determinata zona del corpo, riconoscere alcune caratteristiche delle cellule malate e attivarsi soltanto quando incontra il bersaglio corretto. Un sistema così potrebbe ridurre l’esposizione dei tessuti sani ai farmaci e rendere alcune terapie più precise. Non siamo ancora arrivati a realizzare tutte queste possibilità, ma la ricerca scientifica sta già sviluppando dispositivi molecolari e microscopici progettati per avvicinarsi a questo obiettivo. Si chiamano nanorobot e microrobot biomedici e rappresentano uno degli ambiti più interessanti dell’incontro tra nanotecnologie, biologia molecolare, ingegneria e medicina.

Attenzione, però: il termine nanorobot può essere fuorviante. Non parliamo necessariamente di minuscole macchine metalliche dotate di computer, motori e telecamere, ma anche di strutture molecolari programmabili, particelle capaci di rispondere a determinati stimoli e dispositivi che possono essere guidati mediante campi magnetici o altre forme di energia. Alcune di queste tecnologie sono già state sperimentate in laboratorio e su animali, mentre altre applicazioni sono ancora in fase di sviluppo. La distinzione è fondamentale per capire che cosa la scienza abbia realmente dimostrato e quali possibilità potrebbero concretizzarsi in futuro.

Che cosa sono i nanorobot e quanto sono piccoli?

Il prefisso nano indica una scala di un miliardesimo di metro. Un nanometro corrisponde infatti a 0,000000001 metri.

Per comprendere meglio queste dimensioni, consideriamo alcuni esempi:

  • Un capello umano ha uno spessore di circa 50.000-100.000 nanometri, con variazioni considerevoli.
  • Un globulo rosso misura mediamente circa 7.000-8.000 nanometri di diametro.
  • Molte nanoparticelle impiegate nella ricerca biomedica hanno dimensioni comprese tra alcune decine e alcune centinaia di nanometri.

A questa scala, le proprietà dei materiali e il comportamento dei dispositivi possono essere molto diversi da quelli osservabili nel mondo macroscopico.

Esiste inoltre una distinzione importante tra nanoparticelle, nanodispositivi e nanorobot. Una nanoparticella utilizzata per trasportare un farmaco non è automaticamente un robot. Per parlare di nanorobot in senso funzionale, occorre che il sistema possieda caratteristiche come una risposta programmata agli stimoli, un comportamento controllabile o la capacità di eseguire una specifica operazione.

Anche i microrobot meritano attenzione. Sono dispositivi generalmente più grandi dei nanorobot, ma comunque microscopici rispetto agli oggetti della vita quotidiana. Alcuni possono essere guidati attraverso fluidi biologici e potrebbero, in prospettiva, essere impiegati per trasportare sostanze terapeutiche o eseguire interventi minimamente invasivi. Queste tecnologie non costituiscono un’unica categoria di macchine: sono approcci differenti, accomunati dall’obiettivo di intervenire nell’organismo con maggiore precisione.

Come potrebbero funzionare dentro il corpo umano?

Per comprendere il loro potenziale, bisogna partire da un problema concreto della medicina.

Quando assumiamo un farmaco per bocca o lo riceviamo attraverso un’iniezione, il principio attivo può distribuirsi in diverse parti dell’organismo. La quantità che raggiunge il tessuto da trattare dipende dalla sostanza, dalla via di somministrazione, dalla circolazione sanguigna, dal metabolismo e da numerosi altri fattori.
In alcune terapie, soprattutto oncologiche, una parte del farmaco può raggiungere anche tessuti sani, contribuendo agli effetti indesiderati. Un sistema di somministrazione mirata cerca di migliorare questo processo. Invece di distribuire il principio attivo senza alcun controllo specifico, tenta di favorirne l’accumulo nella zona interessata oppure di liberarlo soltanto quando incontra determinate condizioni.

Un dispositivo di questo tipo potrebbe funzionare attraverso diverse fasi:

  1. Trasporto: il sistema viene introdotto nell’organismo e trasporta il farmaco o un’altra sostanza attiva.
  2. Riconoscimento: può essere progettato per legarsi a determinate molecole presenti sulle cellule bersaglio oppure per rispondere a caratteristiche dell’ambiente biologico.
  3. Attivazione: una variazione di acidità, un legame molecolare o uno stimolo esterno può provocare un cambiamento nella struttura del dispositivo.
  4. Rilascio: il principio attivo viene esposto o liberato nella zona desiderata.
  5. Degradazione o eliminazione: il sistema deve essere smaltito dall’organismo oppure degradarsi in prodotti compatibili con la salute.

Non tutti i nanorobot possiedono tutte queste caratteristiche. Alcuni sono progettati per riconoscere segnali molecolari, altri per essere guidati dall’esterno, mentre altri ancora sfruttano reazioni chimiche per produrre movimento. Un ulteriore aspetto interessante è che non sempre occorre un sistema di propulsione. Alcuni dispositivi molecolari possono cambiare forma spontaneamente quando incontrano lo stimolo corretto, utilizzando le proprietà chimiche delle molecole che li compongono.

Nanorobot contro i tumori: uno degli esperimenti più interessanti

Tra le applicazioni più studiate troviamo il possibile trattamento dei tumori.

Le cellule tumorali e i tessuti che le circondano possono presentare caratteristiche molecolari e metaboliche differenti rispetto a quelli sani. I ricercatori cercano di sfruttare queste differenze per sviluppare sistemi capaci di concentrare l’azione terapeutica nella zona malata. Uno degli esempi più conosciuti è stato pubblicato nel 2018 sulla rivista scientifica Nature Biotechnology. I ricercatori hanno realizzato un nanorobot utilizzando una tecnica chiamata DNA origami, che permette di ripiegare filamenti di DNA in strutture tridimensionali progettate con precisione.

Il DNA, quindi, non veniva utilizzato soltanto come materiale genetico, ma come una sorta di materiale da costruzione molecolare.

All’interno della struttura era stata inserita la trombina, una proteina che partecipa alla coagulazione del sangue. Sulla superficie del dispositivo erano presenti elementi molecolari capaci di riconoscere la nucleolina, una proteina associata ai vasi sanguigni di alcuni tumori.

Quando il sistema incontrava il bersaglio molecolare, la struttura si apriva ed esponeva la trombina. L’obiettivo era provocare la coagulazione all’interno dei vasi sanguigni associati al tumore, compromettendone l’apporto di sangue e favorendo la morte del tessuto tumorale. Nei modelli animali studiati, il trattamento ha mostrato effetti antitumorali. Gli autori hanno inoltre condotto valutazioni di sicurezza in topi e maiali in miniatura. Si tratta di un risultato scientificamente importante perché dimostra che una struttura molecolare programmata può trasportare una sostanza attiva e renderla accessibile in risposta a un segnale biologico. Occorre però precisare un punto essenziale: lo studio non dimostra che questa tecnologia curi il cancro nell’uomo. I risultati riguardavano modelli animali e non equivalgono a una terapia oncologica clinicamente approvata.

Fonte scientifica: Nature Biotechnology, 2018, “A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo”.

Un altro passo avanti: nanostrutture che si attivano in base all’acidità

Nel 2024, la rivista Nature Nanotechnology ha pubblicato uno studio su una struttura di DNA programmata per modificare il proprio comportamento in funzione dell’acidità dell’ambiente.

L’idea è particolarmente interessante perché alcuni tumori solidi presentano un microambiente più acido rispetto ai tessuti sani circostanti, anche se questa caratteristica non è universale né esclusiva del cancro. I ricercatori hanno sviluppato una struttura molecolare capace di mantenere nascosti determinati ligandi, cioè molecole che possono interagire con specifici recettori cellulari. In condizioni di maggiore acidità, la struttura poteva esporre questi ligandi secondo una disposizione geometrica precisa. L’obiettivo era attivare segnali cellulari in grado di favorire l’apoptosi, un processo biologico attraverso il quale le cellule possono andare incontro a morte programmata. Gli esperimenti hanno mostrato effetti sulle cellule tumorali in laboratorio e risultati antitumorali nei topi.

Questo approccio è diverso da quello basato sulla trombina: invece di favorire la coagulazione dei vasi sanguigni tumorali, cerca di intervenire sui segnali molecolari che regolano la sopravvivenza delle cellule. Anche in questo caso, tuttavia, siamo davanti a una tecnologia sperimentale. La risposta osservata nei modelli animali non dimostra che il trattamento sia efficace e sicuro nelle persone.

Fonte scientifica: Nature Nanotechnology, 2024, “A DNA robotic switch with regulated autonomous display of cytotoxic ligand nanopatterns”.

Microrobot magnetici: dispositivi guidati dall’esterno

Un altro settore della ricerca riguarda i microrobot magnetici.

Questi dispositivi possono contenere materiali magnetici che permettono di modificarne il movimento applicando campi magnetici dall’esterno del corpo. In determinate condizioni sperimentali, i ricercatori possono controllarne la direzione, la rotazione o lo spostamento attraverso fluidi. Le possibili applicazioni comprendono il trasporto localizzato di farmaci, l’accesso a zone difficili da raggiungere e lo sviluppo di strumenti per procedure mediche minimamente invasive. Il vantaggio teorico è evidente: se fosse possibile guidare con precisione un dispositivo fino alla zona interessata, si potrebbe intervenire senza dover ricorrere sempre a strumenti chirurgici tradizionali.

Tuttavia, il corpo umano non è un semplice contenitore pieno d’acqua. Il sangue scorre, i tessuti si muovono, le pareti dei vasi esercitano forze sui dispositivi e il sistema immunitario può riconoscere ed eliminare materiali estranei. Inoltre, la presenza di un campo magnetico non garantisce automaticamente un controllo preciso in ogni parte dell’organismo.

Un problema fondamentale consiste nel sapere dove si trovi effettivamente il microrobot durante il movimento. Per questo motivo, la ricerca deve sviluppare contemporaneamente sistemi di propulsione, metodi di localizzazione e tecniche di controllo affidabili. Una revisione pubblicata nel 2024 su Annual Review of Biomedical Engineering ha analizzato proprio le possibilità e i limiti dei microrobot medici, comprese le strategie di navigazione e controllo all’interno del corpo.

È quindi importante non confondere i risultati ottenuti in un laboratorio con la possibilità di guidare un dispositivo in sicurezza attraverso la circolazione sanguigna di un paziente.

Potrebbero trasportare farmaci in zone difficili da raggiungere?

Sì, questa è una delle prospettive più promettenti della ricerca.

Alcune regioni dell’organismo sono particolarmente difficili da trattare perché presentano barriere biologiche, una distribuzione limitata dei farmaci oppure strutture anatomiche complesse. Un esempio è rappresentato dal sistema nervoso centrale, protetto dalla barriera ematoencefalica. Questa struttura limita il passaggio di molte sostanze dal sangue al tessuto cerebrale. I ricercatori stanno studiando nanoparticelle, sistemi di trasporto biologici e dispositivi microscopici per migliorare la somministrazione di farmaci in aree difficili da raggiungere. Bisogna però distinguere le tecnologie già disponibili da quelle ancora in fase sperimentale. Alcuni sistemi nano-medici sono già impiegati in medicina, ma ciò non significa che esistano nanorobot capaci di attraversare liberamente la barriera ematoencefalica e depositare qualsiasi farmaco nel punto desiderato. Lo stesso principio potrebbe essere applicato ad altre situazioni, come alcune infezioni localizzate, le malattie cardiovascolari o il trattamento di tessuti difficilmente accessibili. In ogni caso, il dispositivo deve essere progettato in funzione della malattia e dell’ambiente biologico nel quale dovrà operare. Non esiste un unico nanorobot adatto a ogni patologia.

Nanorobot per le malattie cardiovascolari

Le patologie cardiovascolari rappresentano un altro campo di interesse.

In teoria, dispositivi microscopici progettati per raggiungere determinate zone potrebbero contribuire alla somministrazione locale di farmaci, alla diagnostica oppure a procedure terapeutiche mirate. Un esempio ipotetico riguarda il trasporto di sostanze in prossimità di una placca aterosclerotica o di un’area interessata da un processo infiammatorio. Un altro ambito di ricerca è quello della trombolisi, cioè la dissoluzione dei coaguli che possono ostruire i vasi sanguigni. Tuttavia, bisogna evitare una confusione importante: provocare una coagulazione localizzata, come nell’esperimento antitumorale del 2018, è molto diverso dal dissolvere un coagulo. Sono processi biologici distinti, che richiedono strategie terapeutiche differenti. Inoltre, intervenire sulla circolazione comporta rischi considerevoli. Un dispositivo che si accumulasse nel punto sbagliato o interferisse con la coagulazione potrebbe provocare conseguenze gravi. Per questo motivo, le potenzialità cardiovascolari dei microrobot devono essere valutate attraverso studi specifici, senza attribuire loro risultati clinici che non sono ancora stati dimostrati.

Come si muovono senza motori tradizionali?

A queste dimensioni, la fisica diventa particolarmente interessante.

Nel mondo quotidiano, un oggetto in movimento può sfruttare l’inerzia per continuare a spostarsi anche dopo aver cessato di essere spinto. Alla scala microscopica, invece, le forze viscose e le interazioni con il fluido assumono un’importanza relativa molto maggiore. Un dispositivo microscopico non può essere semplicemente una versione in miniatura di un’automobile o di un robot industriale.

I ricercatori studiano diversi sistemi di movimento:

  • Propulsione magnetica: campi magnetici esterni possono generare movimento o rotazione.
  • Propulsione acustica: gli ultrasuoni possono contribuire a spostare o controllare alcuni dispositivi.
  • Propulsione chimica: determinate reazioni possono generare movimento, ma devono essere compatibili con l’ambiente biologico.
  • Sistemi bioibridi: cellule, batteri o altre strutture biologiche possono essere combinati con componenti artificiali per ottenere specifiche funzioni.

Ogni metodo presenta vantaggi e limiti. Alcuni richiedono apparecchiature esterne, altri pongono problemi di sicurezza o di controllo, mentre altri ancora sono difficili da utilizzare nei fluidi biologici reali. Inoltre, non tutti i nanorobot devono necessariamente muoversi autonomamente. Alcuni sistemi molecolari restano sostanzialmente nella posizione in cui si trovano e cambiano configurazione soltanto quando ricevono uno stimolo. Questa distinzione è fondamentale: un sistema molecolare programmato per aprirsi in risposta a un segnale può essere utile anche senza possedere un motore.

Quali sono i rischi e i problemi ancora da risolvere?

Le prospettive sono interessanti, ma il passaggio dagli esperimenti alla medicina clinica richiede di superare diversi ostacoli.

Biocompatibilità. I materiali devono essere compatibili con l’organismo e non provocare reazioni immunitarie pericolose o infiammazioni indesiderate.

Precisione del bersaglio. Una molecola utilizzata per riconoscere un tumore potrebbe essere presente anche in alcuni tessuti sani. La selettività deve quindi essere dimostrata, non semplicemente ipotizzata.

Distribuzione nell’organismo. Dopo la somministrazione, il dispositivo può raggiungere organi diversi da quello desiderato, essere degradato oppure essere eliminato rapidamente.

Controllo e localizzazione. Per i dispositivi mobili, è necessario sapere dove si trovino e verificare che stiano eseguendo il compito previsto.

Degradazione ed eliminazione. Occorre conoscere il destino dei materiali, dei componenti e dei prodotti di degradazione, evitando accumuli potenzialmente dannosi.

Produzione su larga scala. Un dispositivo che funziona in laboratorio deve poter essere prodotto con qualità costante, sterilizzato quando necessario e sottoposto a controlli rigorosi.

Sicurezza a lungo termine. Un risultato positivo dopo poche ore o pochi giorni non garantisce che non compaiano effetti indesiderati successivi.

Una revisione pubblicata nel 2024 su Advanced Materials, dedicata al passaggio dei microrobot alla pratica clinica, evidenzia proprio le difficoltà legate alla sicurezza, alla fabbricazione, all’azionamento e alla diagnostica per immagini.
In altre parole, non basta dimostrare che un dispositivo sia capace di compiere un’azione: bisogna dimostrare che sappia farlo in modo riproducibile, controllato e sicuro nell’organismo umano.

I nanorobot sono già utilizzati per curare i pazienti?

La risposta richiede una distinzione.

Le nanotecnologie mediche sono già una realtà. Esistono farmaci formulati con nanoparticelle e sistemi di somministrazione che sfruttano proprietà nanometriche per modificare la distribuzione o il comportamento di un principio attivo. I nanorobot molecolari programmabili, invece, costituiscono un settore differente. Gli esempi più noti descritti in questo articolo sono stati studiati soprattutto in laboratorio e in modelli animali. Anche i microrobot mobili, capaci di spostarsi e compiere operazioni all’interno dell’organismo, devono ancora superare importanti ostacoli prima di una diffusione clinica ampia. Per affermare che una tecnologia cura una malattia nell’uomo servono studi clinici adeguati, dati di sicurezza, risultati riproducibili e valutazioni regolatorie. Un esperimento promettente non equivale a una terapia approvata.

È quindi scorretto affermare che i nanorobot siano già in grado di individuare e distruggere autonomamente qualsiasi tumore o di riparare organi dall’interno. Sono obiettivi di ricerca, non capacità mediche oggi disponibili in modo generalizzato.

Che cosa potrebbe cambiare nei prossimi anni?

Il futuro della nanomedicina potrebbe essere meno spettacolare delle immagini di fantascienza, ma non per questo meno importante. È possibile che i progressi più significativi arrivino gradualmente attraverso sistemi capaci di svolgere compiti ben definiti: riconoscere un bersaglio molecolare, trasportare un farmaco, liberarlo in condizioni controllate oppure aiutare a raggiungere una zona anatomica difficile. Non è necessario costruire una macchina microscopica dotata di un’intelligenza paragonabile a quella umana. In molte applicazioni mediche, un sistema che riconosce un segnale specifico e attiva una risposta prestabilita potrebbe già offrire un vantaggio. La sfida sarà sviluppare dispositivi sufficientemente selettivi, sicuri, controllabili e riproducibili da dimostrare un beneficio reale per i pazienti.

La ricerca sui nanorobot unisce infatti discipline molto diverse: biologia molecolare, chimica, fisica, ingegneria dei materiali, robotica e medicina. Il suo sviluppo dipenderà dalla capacità di far collaborare questi settori e di trasformare i risultati sperimentali in applicazioni cliniche affidabili.

Conclusioni: dalla fantascienza alla ricerca scientifica

I nanorobot rappresentano una delle prospettive più interessanti della medicina di precisione, ma è importante comprenderne correttamente lo stato di sviluppo.

La possibilità di programmare strutture molecolari, guidare dispositivi microscopici e controllare il rilascio di sostanze terapeutiche apre nuove strade per il trattamento di alcune malattie. Gli esperimenti sui nanorobot di DNA dimostrano che è possibile progettare sistemi capaci di rispondere a segnali biologici e produrre effetti terapeutici in modelli animali. I microrobot magnetici, invece, offrono interessanti possibilità per il movimento controllato e la somministrazione mirata. Restano però da risolvere problemi di sicurezza, localizzazione, distribuzione, eliminazione e produzione, oltre alla necessità di dimostrare l’efficacia clinica nell’uomo. La prospettiva più realistica non è quella di minuscoli robot onnipotenti capaci di riparare qualsiasi parte del corpo, ma di dispositivi specializzati che potrebbero rendere alcuni trattamenti più precisi e meno invasivi.

Ed è proprio qui che la ricerca diventa interessante: non nella promessa di una medicina miracolosa, ma nella possibilità concreta di migliorare, passo dopo passo, il modo in cui diagnostichiamo e curiamo le malattie.

Fonti scientifiche per approfondire