Un nanocarrier, detto anche nanotrasportatore, è una nanoparticella dedita al trasporto di agenti terapeutici o altre sostanze in siti specifici. Un nanovettore è un nanocarrier utilizzato esclusivamente come mezzo/modulo di trasporto di farmaci.
Tra le strutture più comuni che permettono l’attuazione di questo meccanismo si trovano micelle, nanoliposomi, nanococleati, materiali polimerici e materiali carboniosi. Questi sistemi stanno venendo ampiamente studiati per le loro potenziali applicazioni nel campo della nanomedicina, dove si utilizzano come moduli di trasporto mirati. Sono capaci di trasportare un farmaco in un determinato punto del nostro organismo e rilasciarlo in quell’ambiente specifico, permettendo l’ingegnerizzazione di cure estremamente localizzate (come cure anti-tumorali che riescono ad intervenire solo nei siti danneggiati).
Tipologie di nanocarrier Tra i più comuni tipi di nanocarriers si può riportare: coniugati polimerici, nanoparticelle polimeriche, trasportatori molecolari a base di lipidi (come micelle e liposomi), strutture dendrimeriche, nanotubi di carbonio, nanoparticelle d’oro (come nanoshells e nanocages), nanocristalli di semiconduttori, nanostrutture di derivazione biologica, nanosistemi a base di silicio e silica e nanoparticelle superparamagnetiche.
Il principio di trasporto solitamente sfruttato si basa sull’idrofilicità e idrofobicità dei farmaci e dei componenti dei nanocarrier utilizzati. Per esempio, le micelle costituite da fosfolipidi possono trasportare sia farmaci idrofobici che idrofilici, in base all’orientamento delle teste e code dei lipidi che le compongono.
Somministrazione di farmaci mirata La proprietà più importante dei nanocarriers è la capacità di dirigersi verso una specifica posizione all’interno dell’organismo, dove rilasceranno poi ciò che trasportano, ad esempio il farmaco nel caso di applicazioni biomediche. Questa loro capacità li ha resi adeguati ad agire direttamente negli organi danneggiati (ad esempio affetti da tumori, da patologie neurologiche o altro), mediante la somministrazione di farmaci agenti in maniera fortemente localizzata, senza intaccare le cellule sane del tessuto.
Un nanocarrier riconosce dove rilasciare il farmaco per mezzo di 4 diversi meccanismi: tramite un’individuazione passiva o attiva dell’obiettivo, per specifità del pH e/o della temperatura.
Targeting passivo Si tratta di un inglobamento “involontario” della particella che viaggia attraverso la rete vascolare della zona tumorale (di solito fortemente irrorata), questa viene intrappolata e si accumula nell’area patologicamente alterata. Parametri importanti sono la permeabilità e l’effetto di ritenzione del nanovettore che verrà accidentalmente assorbito, in quanto ne determinano indirettamente l’efficacia. Questi parametri possono essere migliorati per mezzo di rivestimenti superficiali della nanoparticella, facendo sì che essa venga riconosciuta dall’organismo come propria e non come estranea.
Targeting attivo In questo caso, l’individuazione dell’obiettivo avviene in modo attivo da parte del nanocarrier munito di moduli superficiali di riconoscimento come ligandi e anticorpi, i quali permettono al nanovettore di essere riconosciuti come organismo biologico ed essere quindi assorbito dalla cellula. Alcuni ligandi però influiscono negativamente sul processo, rendendo il nanovettore più tossico di quanto si desideri oppure diminuendone l’efficienza di rilascio una volta entrato nella cellula. Si è dimostrato che il targeting attivo aiuta a diminuire l’eventuale MDR (multi-drug resistance) delle cellule tumorali.
Specificità del pH In questo caso i nanocarriers sono in grado di rilasciare il farmaco solo se si trovano in ambienti con un pH specifico, come le zone tumorali, solitamente più acide del normale (pH pari a circa 6.8 rispetto al 7.4 dei tessuti sani). In questi ambienti, il farmaco viene rilasciato a causa della degradazione strutturale del nanocarrier ad opera dell’acidità dell’ambiente, lasciando così intatti tutti gli ambienti sani con pH neutro o leggermente basico. Un metodo per indurre la capacità di agire ad un pH specifico è quello di inserire delle catene di copolimeri (caratterizzati da questo tipo di comportamento) tra i sistemi micellari. Questo tipo di sistemi presenta un rilascio immediato del farmaco, anziché un rilascio graduale come in altri casi, fattore alquanto favorevole poiché garantisce un’eliminazione immediata della massa dannosa evitando che essa abbia tempo di modificarsi geneticamente. I complessi di micelle e polimeri aiutano anche a prevenire l’insorgenza di MDR nelle cellule tumorali.
Specificità della temperatura Alcune tipologie di nanocarriers riescono a rilasciare il farmaco ad una determinata temperatura. Analogamente a quanto accade per il pH, le zone tumorali sono solitamente ad una temperatura più elevata rispetto ai tessuti sani, fattore che innesca il processo di degradazione del modulo di trasporto ed il rilascio localizzato del farmaco.
Esempio di applicazioni: il diabete mellito Una delle maggior applicazioni dei nanocarrier è la somministrazione di farmaci. In questo ambito, si sono dimostrati potenti strumenti che si distinguono per specificità, ridotti effetti collaterali e una buona efficienza.
Ferite causate da diabete mellito Il diabete mellito (DM) è un deficit della secrezione di insulina, cioè dell’ormone prodotto dal pancreas che controlla il livello di glicemia nel sangue. Si tratta di un disturbo metabolico di più eziologie caratterizzato da una proliferazione cronica del livello di zucchero nel sangue con influenza sul metabolismo di carboidrati, grassi e proteine e conseguente funzionamento anormale dell'insulina nel corpo. L'azione a lungo termine del diabete porta a problemi come una ridotta cicatrizzazione delle ferite e lo sviluppo di ulcerazioni croniche del piede che potrebbero non guarire e, quindi, portare a grave depressione e mortalità.
Le ulcere delle estremità diabetiche si sviluppano in circa il 15% delle persone con il diabete di tipo 1 o 2, e sono la principale causa di ospedalizzazione e amputazione dei pazienti.Veena Vijayakumar, Sushanta K. Samal, Smita Mohanty, Sanjay K. Nayak, Recent advancements in biopolymer and metal nanoparticle-based materials in diabetic wound healing management, International Journal of Biological Macromolecules, 2018
Nanotecnologie e nanomateriali Grandi sforzi sono stati compiuti dai ricercatori per lo sviluppo di nuove tecnologie che potrebbero pulire rapidamente la ferita dai batteri invasori e in grado di fornire antibiotici per le infezioni DFU (Diabetic Foot Ulcer). Tra le varie tecnologie di recente sviluppo, la nanotecnologia e i nanomateriali hanno rinnovato la diagnosi della guarigione delle ferite diabetiche.
Rispetto alle medicazioni convenzionali, i nano-carrier sono superiori in termini di capacità di trasportare, proteggere e sostenere il rilascio appropriato del farmaco sulla superficie della ferita.Hira Choudhurya, Manisha Pandeya, Yan Qing Limb, Chea Yee Lowb, Cheng Teck Leeb, Tee Cheng Ling Marilynb, Huai Seang Lohb, Yee Ping Limb, Cheng Feng Leeb, Subrat Kumar Bhattamishrac, Prashant Kesharwanid, Bapi Gorain, Silver nanoparticles: Advanced and promising technology in diabetic wound therapy, Materials Science & Engineering C, Materials Science & Engineering C, 3, 2020
Negli ultimi anni, nanoparticelle come argento, oro e zinco con proprietà antibatteriche e antimicrobiche insieme a una bassa tossicità in vivo hanno fornito un approccio incomparabile per accelerare la guarigione delle ferite acute e croniche ritardate.
I nanomateriali possiedono un elevato rapporto superficie / volume che consente una maggiore penetrazione nell'area della ferita per fornire un rilascio prolungato e controllato di farmaci, una riduzione degli effetti collaterali associati e, quindi, una guarigione più rapida della ferita. Inoltre, questi sistemi di somministrazione su scala nanometrica possiedono una migliore somministrazione di farmaci poco solubili in acqua e proteggono il medicinale attivo contro temperatura, luce, degradazione del pH o dagli enzimi nel sito di somministrazione. Pertanto, il coinvolgimento della nanotecnologia funge da potenziale rivoluzione nel trattamento della ferita.
Esistono due categorie principali di nanomateriali utilizzati nella guarigione delle ferite: quelli impiegati come veicoli di rilascio per agenti terapeutici (scaffolds). L'ingegneria dei tessuti prevede l’uso di biomateriali che creano una sorta di impalcatura per le cellule e un ambiente adatto per la rigenerazione tissutale. Per scaffold intendiamo dunque un supporto tridimensionale poroso, realizzato con un materiale biocompatibile e bio-riassorbibile, in grado di favorire l’adesione e la proliferazione cellulare fino alla formazione del nuovo tessuto; quelli che mostrano proprietà positive intrinseche per il trattamento delle ferite (nanoparticelle).Hariharan Ezhilarasu, Dinesh Vishalli, S. Thameem Dheen, Boon-Huat Bay and Dinesh Kumar Srinivasan, Nanoparticle-Based Therapeutic Approach for Diabetic Wound Healing, Nanomaterials, 2020
Nanoparticelle per la guarigione delle ferite diabetiche
Nanoparticelle d'argento (AgNPs) Tra le diverse nanoparticelle di metallo, AgNP è la nanoparticella più utilizzata nella gestione della cura delle ferite grazie alle sue inimitabili proprietà antinfiammatorie e all'attività antimicrobica contro ceppi di microrganismi multiresistenti (MDR) che promuovono la guarigione delle ferite.
L’argento si trova nelle medicazioni in una serie di forme diverse:
come argento elementare – per es., argento metallico, argento nanocristallino; come composto inorganico – per es. ossido di argento, fosfato di argento, cloruro di argento, solfato di argento, composti di fosfato di calcio argento sodio, composti di argento zirconio, SSD (sulfadiazina argentica in pomata); come complesso organico – per es. allantoinato di argento-zinco, alginato d’argento etc.
In ambito biomedico, l’argento contenuto nella medicazione può presentarsi in forma di: strato di rivestimento – su una o entrambe le superfici esterne della medicazione (argento elementare o nanocristallino); all’interno della struttura della medicazione – come rivestimento dei materiali della medicazione (argento elementare o composti), negli interstizi dei materiali della medicazione (argento elementare o composti) o in forma di composto assimilato alla struttura della medicazione (per es. alginato d’argento); combinazione delle due precedenti forme.
Lo scopo del trattamento con medicazioni all’argento è di ridurre la carica batterica della ferita, trattare l’infezione locale e prevenire la diffusione sistemica: il loro obiettivo principale non è quello di stimolare direttamente la guarigione della ferita. Le linee guida cliniche raccomandano di utilizzare le medicazioni all’argento nelle ferite già infette o in quelle in cui un’eccessiva carica batterica provoca un ritardo della guarigione.Elizabeth A Ayello, Keryln Carville, Jacqui Fletcher, David Keast, David Leaper, Christina Lindholm, José Luis Silindile Mavanini, Andrew McBain, Zena Moore, Supaporn Opasanon, Elaine Pina, Per un uso corretto delle medicazioni all’argento nelle ferite, London: Wounds Internetional, 2012
I meccanismi di azione antimicrobica delle AgNPs sono di due tipi: azione battericida: l'argento è in grado di generare radicali liberi che danneggiano la parete cellulare batterica, portando all’apoptosi. azione inibitoria: le AgNPs sono acidi morbidi che interagiscono con la cellula batterica la quale contiene basi morbide (come zolfo e fosforo). Gli ioni d'argento si attaccano ai gruppi tioli delle proteine producendo legami disolfuro (tramite ossidazione) che possono interferire nella replicazione del DNA e inibire la crescita di batteri, portando all'apoptosi.
Nanoparticelle d'oro (AuNPs)