Rivista di informazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale
Università di Trento
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Università di Trento
Immaginate di dover fermare un incendio non spegnendo le fiamme una a una, ma sottraendo dall’aria l’ossigeno che le alimenta. È più o meno l’idea che ispira i bioMIPs, una nuova classe di nanoparticelle progettate per riconoscere e “catturare” molecole bersaglio con la precisione di un anticorpo, ma costruite interamente a partire da materiali che di derivazione naturale.
Molti ricorderanno l’espressione “tempesta di citochine”, diventata tristemente familiare durante la pandemia di COVID-19. Le citochine sono le proteine-messaggero con cui le cellule del sistema immunitario si coordinano: normalmente orchestrano una difesa misurata, volta a coadiuvare l’organismo in caso di infezioni modulando la risposta infiammatoria e guidando il corpo alla guarigione. Tuttavia in alcune condizioni la loro produzione si impenna in modo incontrollato. Il risultato è la sindrome da tempesta citochinica, una reazione infiammatoria sistemica che può danneggiare organi e tessuti e mettere in pericolo la vita. Non riguarda solo le infezioni virali gravi: compare anche nella sepsi, in molte malattie autoimmuni e come effetto collaterale di terapie immunologiche avanzate.
Le terapie disponibili prevedono l’uso di anticorpi monoclonali diretti contro singole citochine come l’interleuchina-6 (IL-6), o di medicinali cortisonici ad ampio spettro che agiscono a livello sistemico, comportando rilevanti effetti collaterali oltre che costi ingenti per il nostro sistema sanitario.
E se, invece di spegnere chimicamente i segnali, si potessero rimuovere fisicamente le citochine in eccesso direttamente dai fluidi biologici? È qui che entrano in gioco i bioMIPs.
L’acronimo MIP sta per Molecularly Imprinted Polymer, polimero a stampo molecolare. Il principio è elegante: si fa polimerizzare un materiale attorno alla molecola bersaglio (target), allo stesso modo in cui si cola il gesso attorno a una chiave; quando il target viene rimosso, nel polimero rimane una cavità che possiede complementarietà chimica e di forma verso esso. Quella cavità funziona da recettore artificiale, capace di riconoscere e legare selettivamente proprio quella molecola. Per questo i MIP vengono spesso chiamati “anticorpi di plastica”.
Il limite storico è proprio nella natura sintetica: i MIP tradizionali si costruiscono con monomeri acrilici, poco compatibili con l’organismo e non biodegradabili. L’intuizione dei gruppi di Trento e Verona è stata sostituire quella chimica con biopolimeri naturali come la fibroina della seta o la gelatina, resi poi foto-reticolabili così da poter essere modellati con la luce. Ne nascono nanotrappole “gentili”: biocompatibili, biodegradabili in sottoprodotti innocui, sostenibili e, in prospettiva, ottenibili anche da materiali di scarto di filiere controllate.
Non copiare la natura, ma prenderne in prestito le soluzioni: recettori che nascono dagli stessi materiali di cui è fatto il vivente.
La tecnologia non è nata dal nulla. La prima prova di principio ha dimostrato che nanoparticelle di sola fibroina della seta potevano riconoscere l’albumina con una singola cavità ad alta affinità (nell’ordine del nanomolare) e dimensioni di appena 50–100 nanometri, risultando al contempo non tossiche. Sono seguiti i bioMIPs contro l’epcidina, ormone chiave del metabolismo del ferro, capaci di quantificarla nel siero e aprendo così anche la strada diagnostica; poi la messa a punto di metodi per marcarli con sonde fluorescenti per seguire il loro destino dentro cellule e tessuti. Infine, è seguita la conferma che i bioMIPs vengono degradati per via enzimatica in frammenti non tossici e sicuri.
Un salto importante verso una possibile transizione verso la clinica è arrivato con le nanotrappole in GelMA (gelatina metacrilata) progettate specificamente per sequestrare l’interleuchina-6, una delle citochine regista dell’infiammazione. In modelli infiammatori, questi bioMIPs si comportano come spugne selettive: assorbono l’IL-6 lasciando intatte le altre citochine e biomolecole circostanti.
È esattamente questa la scommessa del progetto nanoTRiCKS — nanotrappole biopolimeriche “su misura” per la soppressione della tempesta citochinica. L’obiettivo è disporre di nanoparticelle capaci di abbassare i livelli di citochine agendo direttamente nei fluidi biologici: uno scenario che guarda alla sepsi, alle infezioni gravi, alle riacutizzazioni autoimmuni e alle sindromi da rilascio citochinico legate alle immunoterapie. A differenza dei farmaci convenzionali, i bioMIPs promettono un’elevata selettività e una grande stabilità, che permette di evitare la catena del freddo; inoltre possono essere “accordati” sul bersaglio specifico, ossia progettati in laboratorio per riconoscere una molecola precisa. Infine sono biodegradabili, quindi possono essere iniettati nel corpo senza che si accumulino nell’organismo.
Il potenziale clinico non si esaurisce nella cattura. Con il progetto BIAS, gli stessi principi vengono trasferiti all’interno di supporti polimerici disegnanti per guidare la rigenerazione dei tessuti: scaffolds (impalcature) che, incorporando bioMIPs, ambiscono a modulare localmente l’infiammazione e a favorire una rigenerazione più ordinata. A queste applicazioni si affiancano quelle diagnostiche come biosensori degradabili e dispositivi bioattivi indossabili, oltre che a dispositivi di rilascio controllato di farmaci e cerotti intelligenti per guidare la guarigione delle ferite. Il tutto, sempre, all’insegna di materiali naturali e sostenibili.
Dietro i bioMIPs c’è l’incontro di due competenze complementari che, per la prima volta, sono state integrate dando vita a una nuova direzione di ricerca. Da un lato, l’esperienza di Alessandra Maria Bossi (Dipartimento di Biotecnologie, Università di Verona) nel molecular imprinting, nello sviluppo di nanoMIPs per il riconoscimento di proteine e peptidi e nella biosensoristica; dall’altro, quella di Devid Maniglio (BIOtech Research Centre, Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Trento) nei biomateriali di derivazione naturale e nelle tecnologie di biostampa.
Dal dialogo tra due unità di ricerca complementari, provenienti da ambiti solo apparentemente lontani, è nata una piattaforma interdisciplinare che integra biomateriali, imprinting molecolare, biologia dell’infiammazione, matematica applicata e microfluidica. È un esempio di come la contaminazione tra competenze possa generare innovazione: la precisione dei recettori artificiali si unisce alla biocompatibilità e alla sostenibilità dei biomateriali di derivazione naturale, dando origine a una tecnologia che valorizza i punti di forza di entrambi gli approcci.
Ancora una volta, la natura si conferma la migliore fonte di ispirazione per progettare una medicina più efficace, sostenibile e pienamente integrata con la fisiologia umana.
I PROGETTI nanoTRiCKS — Tailor-made biopolymeric nanotraps for cytokine storm suppression (PRIN 2022 PNRR, ID 20228AYRJE; UniVR & UniTN). BIAS — bioMIPs Immunomodulating Scaffolds for tissue engineering (PRIN 2022 PNRR).
Finanziamenti PNRR – Missione 4, Componente C2 – MUR / Italia Domani. Per saperne di più: www.biomips.org
