Nanotecnologie

Nanorobotica, cos’è, come può essere impiegata in medicina

Il campo di applicazione principale è la medicina, fin dagli anni Novanta si parla di nano medicina quando si iniziano a usare nanoparticelle per la somministrazione farmacologica di precisione oppure nell’ambito di alcuni processi diagnostici [...]
Cinzia Crostarosa

ingegnere

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Tra le tecnologie d’avanguardia, la nanotecnologia rappresenta un nuovo settore di ricerca che controlla la materia con una scala dimensionale tra 1 e 100 nanometri (un nanometro è pari a un miliardesimo di metro). La tecnologia si basa sul diametro dell’elica del DNA, che è di soli due nanometri, come è esattamente riportato da Kurt Gothelf, chimico presso l’Università di Aarhus in Danimarca, che inoltre afferma che con la robotica del DNA utilizzata in medicina “si potrebbero creare strutture molto più intelligenti e molto più specifiche di quanto sia possibile oggi“. In tale ambito scientifico rientrano le macchine molecolari o nanomacchine, che possiedono un numero discreto di componenti molecolari capaci di compiere movimenti finalizzati all’esecuzione di determinate funzioni sotto l’azione di input esterni. Un esempio tangibile e attualmente molto presente nella nostra nuova realtà pandemica sono i vaccini Moderna e Pfizer (per Covid-19), che hanno un filamento oligonucleotide modificato formulato in una nano vescicola, per cui è l’antesignano di un piccolo nanorobot. Ecco cos’è la nanorobotica e come può essere utilizzata in medicina.

Come nasce la nanorobotica

Si parla per la prima volta di nanotecnologie nel 1986. K. Eric Drexler, scienziato del Massachusetts Institute of Technology, nel suo libro “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology” descrisse un futuro prossimo popolato da nanobot microscopici o come li definiva lui stesso molecular assemblers. Così Drexler contribuì a galvanizzare la scienza della nanotecnologia, che divenne una dottrina consolidata.

Richard Feynman, premio Nobel per la fisica

In realtà la maggior parte degli studiosi attribuisce il primo riferimento agli studi di nanotecnologia, a Richard Feynman, premio Nobel per la fisica nel 1965 per i suoi studi sull’elettrodinamica in ambito quantistico e i suoi famosi diagrammi di Feynman, in cui ci si trova al confine dell’universo conosciuto, ossia sull’orizzonte dell’infinito, anche se l’etimologia della parola sarà definita più tardi. Infatti nel suo celebre discorso del 29 dicembre 1959 dal titolo “There’s a plenty of room at the bottom”, ossia solo in fondo c’è tanto spazio, si evidenziano i prodromi di quello che sarà poi chiamata nanotecnologia.

Proprio in occasione della conferenza annuale dell’American Physical Society al California Institute of Technology Feynman aveva studiato una possibilità realistica di realizzare macchine miniaturizzate, ma con grandi quantità di informazioni codificate in spazi minuscoli. Come si può osservare nel mondo naturale esistono macchine molecolari di estrema complessità dalle dimensioni nanometriche e la natura ha fornito gli organismi viventi di strutture molecolari complesse, aggregati di molecole-sistemi e supra-molecolari. All’interno delle cellule svolgono compiti fondamentali comportandosi come congegni e dispositivi in grado di rispondere alle esigenze vitali delle stesse e lo fanno attraverso specifiche reazioni chimiche. Nella stessa ottica studi scientifici come quelli di Feynman dimostrano che si possono riprodurre strutture molecolari come quelle in natura per ottenere dei benefici.

Si potrebbe costruire un nanodevice di DNA fatto per assomigliare a un aereo in movimento, ma in questo caso l’aereo è 1000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano.

Il funzionamento dei nanorobot nell’ambito della medicina

Come si è già argomentato, è la medicina il campo di applicazione principale della nano robotica. Ricorrendo ai nanodispositivi e alle nanotecnologie la medicina stessa diviene “nano”. Già agli inizi degli anni Novanta negli Usa si parla di nano medicina; quindi si iniziano a usare nanoparticelle per la somministrazione farmacologica di precisione oppure nell’ambito di alcuni processi diagnostici.

L’avvento della nanorobotica fa degli ulteriori passi avanti, intraprendendo nuove e molteplici sfide, a iniziare dalla gestione del movimento ordinato e controllabile dei nanobot all’interno di un microambiente prevalentemente liquido come quello del corpo umano. Infatti già sono stati progettati nanorobot capaci di camminare, saltare e persino nuotare grazie a magneti manipolati dall’esterno, a campi elettrici o a stimoli luminosi.

I congegni progettati dagli scienziati del Dipartimento di Nanoingegneria dell’Università della California, a San Diego, oppure dall’Harbin Institute of Technology, in Cina, e infine anche dall’Università di Haifa, in Israele, sono stati costruiti imitando proprio il movimento dell’essere umano nell’acqua.

In seguito alla fase di sperimentazione, a differenza dei nanorobot precedenti, in grado di muoversi per mezzo di magneti manipolati dall’esterno, i nuovi nanodispositivi sono a tutti gli effetti robot miniaturizzati dotati di gambe funzionanti.

Il gruppo di studio che li ha progettati sta già pensando a come potenziarli servendosi di un’elettronica più complessa dotata anche di calcoli di bordo, le migliorie potrebbero portare in futuro a sciami di robot microscopici, che ristrutturano tessuti, suturano vasi sanguigni e vengono inviati in massa a sondare arterie financo vaste aree del cervello.

Quindi “La capacità di creare nanodispositivi più complessi, con filamenti di DNA “robot a DNA” con software MagicDNA, significa che possono fare cose più utili e persino svolgere più attività con un dispositivo” afferma Carlos Castro, coautore dello studio e professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l’Ohio State University, anche se “Man mano che si rendono queste strutture più complesse, è difficile prevedere esattamente come saranno e come si comporteranno“.

Dove applicare i nanorobot nel corpo umano

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Dopo le prime sperimentazioni del team di Carlo Montemagno, nel 2005 gli stessi scienziati californiani hanno progettato un nanorobot con due minuscole zampe, capaci di muoversi e di piegarsi grazie a giunture meccaniche alimentate dalle cellule di muscolo cardiaco di ratto, senza bisogno di alimentazione esterna. Da quel momento in poi, numerosi studi si sono avvicendati fino a oggi, in cui gli esempi di nanobot sono molteplici.

Gli studi più ricchi di scoperte sono quelli, che vedono i nanorobot guidati da campi magnetici, tra cui si ha una tipologia che sfrutta batteri magnetotattici, che si dispongono lungo le linee del campo magnetico terrestre. Questi batteri, di cui il più utilizzato in laboratorio è il magnetococcus marinus, che si aggancia alla testa dei nanorobot, per cui si può guidare il dispositivo tramite il campo magnetico esterno. Sono stati progettati nanorobot di forma elicoidale utilizzando materiali magnetici, in cui i materiali magnetici sono stati posizionati sopra i polimeri, che costituiscono il dispositivo, in modo tale che il nanorobot si può inserire nel materiale magnetico nel polimero.

Nel sangue

La ricerca si sta muovendo sul tema specifico che ha come oggetto un nanobot della dimensione di qualche micrometro, con due braccia magnetiche in nichel che si muovono grazie a un campo magnetico, in grado di nuotare attraverso liquidi viscosi come il sangue, per trasportare e rilasciare farmaci nei punti esatti in cui l’organismo ne ha bisogno. Nella medicina del futuro, nanorobot saranno in azione all’interno di un vaso sanguigno per rilevare ed eliminare un trombo che ostacola la normale circolazione.

nanorobot

Nanorobot all’interno del corpo (fonte Nature)

Presso la Drexel University, a Filadelfia, è stato, invece, sviluppato un metodo che utilizza i campi elettrici per aiutare i nanobot a rilevare ostacoli lungo il loro cammino e a muoversi agilmente nell’area di interesse, con applicazioni che potrebbero includere, in futuro, la consegna intracorporea di farmaci e la manipolazione di cellule staminali. Restando in tema di materiale biologico, i ricercatori della California Institute of Technology hanno creato nanogru fatte di filamenti di DNA, capaci di sollevare e spostare microparticelle e, dal lavoro congiunto dell’Università di Twente, in Olanda, e della German University in Cairo, sono nati nanorobot ispirati allo sperma controllati sempre oscillando deboli campi magnetici per applicazioni di micro manipolazione e terapie mirate. Tutti i nanodispositivi citati sono in fase di studio e di sperimentazione in laboratorio e sicuramente non sull’uomo in laboratorio. Il percorso verso l’applicazione concreta sull’essere umano è ancora lungo, che sarà costellato di importanti traguardi sul terreno del progresso scientifico.

nanorobot

Fonte: Drexel University

Nei vaccini

Anche se un esempio tangibile e attualmente molto presente nella nostra nuova realtà pandemica sono i vaccini Moderna e Pfizer (per Covid-19), che hanno un filamento oligonucleotide modificato formulato in una nano vescicola, per cui si potrebbe azzardare un’analogia con un piccolo nanorobot, presente anche nei vaccini.

Stimolazione neurologica

Tralasciando il trasporto e il rilascio di farmaci all’interno del corpo, la nanorobotica in medicina potrebbe trovare applicazione anche nella stimolazione neurologica. Ne è un primo e rudimentale esempio lo stesso nanodispositivo concepito dal team del professor Montemagno nel 2004, che è realizzato con fibre muscolari animali. Tale sistema potrebbe aiutare quei pazienti con lesioni ai nervi del muscolo del diaframma, nervi frenici, e con conseguente difficoltà nella respirazione: inserito nel corpo umano, flettendo un materiale piezoelettrico o un filo di silicio, l’emissione di scariche elettriche conseguenti alla flessione potrebbe fungere da stimolo per i nervi frenici. Un altro importante traguardo è stato raggiunto alla fine del 2020 dai ricercatori della Cornell University, nello stato di New York, con i primi nanorobot che incorporano componenti semiconduttori, consentendo loro di camminare per mezzo di segnali elettronici standard, in tal modo si può agire sul sistema neurologico andando a sanare eventuali deficit motori o cognitivi.

March of the microscopic robots

Video: nanorobot in movimento nel corpo umano (fonte: Nature)

I nanorobot e la cura del cancro

Lo studio delle terapie per le patologie oncologiche rappresenta l’area terapeutica più vasta della nanomedicina. Diversamente dalla chemioterapia classica, che purtroppo è invasiva e aggressiva, proprio grazie alle dimensioni delle nanoparticelle iniettate nell’organismo, è possibile raggiungere con facilità le cellule cancerogene e rilasciare il farmaco direttamente in prossimità del tumore, aggredendolo dall’interno e preservando le cellule e i tessuti sani circostanti. Per cui la nanorobotica potrebbe rappresentare uno strumento ancora più preciso ed efficace nell’aggredire il cancro.

I ricercatori del Politecnico di Zurigo e dell’Israel Institute of Technology hanno già messo a punto un nanofilo di polipirrolo elastico controllato magneticamente, lungo circa 15 micrometri, che sono milionesimi di metro, e spesso 200 nanometri che, nuotando in ambienti biologici fluidi alla velocità di 15 micrometri al secondo, potrebbe essere utilizzato per somministrare farmaci ed essere controllato magneticamente per attaccare cellule tumorali. Per quanto concerne i nanorobot impiegati per operazioni di drug delivery, ossia come veicolo per il rilascio di sostanze all’interno del carcinoma, i modelli sperimentati sono di diversa natura e si muovono all’interno del corpo in modo differente. Considerando la struttura e il meccanismo di funzionamento sono progettati tramite un modello base, costituito da un braccio e da una “mano” su cui posizionare il principio attivo, che è il farmaco da somministrare. Partendo da tale struttura, a seconda delle specifiche necessità, è possibile crearne anche di più complesse, andando ad aggiungere, ad esempio, più braccia, nel caso in cui ci sia bisogno del rilascio contemporaneo di più molecole o di un’azione più complessa e mirata.

Essendo possibile intervenire con modifiche alla struttura centrale, la coda rappresenta la parte fissa del nanobot, oltre ad essere la parte più strategica, perché è in grado di riconoscere quando il nanodispositivo è arrivato all’interno della neoplasia. La coda è un aptamero, vale a dire un acido nucleico avente la proprietà di legarsi a una molecola o a una proteina. Infatti, il lavoro di ricerca è riuscito a progettare specifici aptameri, capaci di legarsi solo a entità che si trovano nell’area in cui è presente il carcinoma o in sua stretta prossimità, in modo tale che il rilascio del farmaco chemioterapico avvenga solo in quel preciso spazio e che i tessuti sani non vengano intaccati. In alcuni casi, anziché l’aptamero, viene preso in considerazione l’utilizzo di una sonda che capta la concentrazione di ossigeno, perché il tumore, a causa della crescita smisurata delle cellule, arriva a consumare un’elevata quantità di ossigeno. Quindi dove si registra una concentrazione inferiore di ossigeno, il nanobot rileva di essere nei pressi del tumore e rilascia il principio attivo.

Furono gli scienziati del Dana-Farber Cancer Institute, a Boston, nel 2009, a coniugare per primi le nanotecnologie con l’antica arte dell’origami, ripiegando fogli bidimensionali di DNA per ottenere strutture tridimensionali a più strati, aprendo, in quegli anni, una finestra sulla costruzione di nanodispositivi in grado di fungere da “cargo” per il trasporto di farmaci all’interno delle cellule. Attualmente sulla superficie di questi “cargo-nanorobot”, oltre all’aptamero, la ricerca ritiene possibile porre anche un enzima specifico, ossia la trombina, responsabile della coagulazione del sangue. I nanobot vengono, dunque, inseriti all’interno del flusso sanguigno e, attraverso l’aptamero, sono in grado di riconoscere quando si trovano all’interno della massa cancerogena. Dopo esservi entrati, rilasciano la trombina, la quale, provocando un coagulo, riesce a bloccare l’afflusso di sangue che nutre la massa, provocando, in questo modo, la “morte” del cancro, la sua necrosi.

Il futuro dei nanorobot

Seppure particolarmente dinamica, la nanorobotica è un’area di ricerca ancora molto giovane, ancora dedita esclusivamente allo studio e alla sperimentazione. Non ha ancora lasciato il laboratorio. Anche se ha già marcato le sue aree di maggiore interesse, tra cui spicca la medicina, come abbiamo illustrato. Il suo futuro guarda all’impiego dei nanorobot nella pratica clinica. In vista di questo traguardo, gli scienziati hanno fissato i prossimi obiettivi di ricerca, ovvero riuscire a realizzare nanorobot ancora più piccoli e agili con strutture dell’ordine di 20×100 nanometri, 0,00002 x 0,0001 millimetri, per un’esplorazione sempre più precisa all’interno e all’esterno degli organi e un esame delle cellule senza più bisogno di biopsie. L’obiettivo è di fare della nanorobotica uno strumento di prevenzione attraverso la diagnosi precoce di alcune patologie.

Oltre a ciò la comunità scientifica ha in agenda anche la risoluzione di due nodi importanti. Il primo concerne la biodegradabilità dei nanobot nel flusso sanguigno, infatti i modelli attuali non sono in grado di degradarsi autonomamente, per cui dopo avere rilasciato i farmaci all’interno dell’organismo, devono essere assolutamente rimossi, a esclusione di quelli composti da materiale biologico, come ad esempio il DNA, infatti la questione aperta riguarda il grado di sicurezza dei materiali utilizzati per la fabbricazione dei nanorobot e, più in particolare, la loro eventuale tossicità. La seconda tematica riguarda il movimento dei nanodispositivi all’interno dei numerosi minuscoli interstizi del corpo umano, oltre che nei suoi tessuti e nei suoi diversi tipi di fluidi. Su tale movimento i nanobot finora progettati presentano diverse criticità.

Il progetto Celloids

Su tale questione ancora aperta, è intervenuto il progetto europeo Celloids, partito il primo febbraio 2021, con scadenza fissata a fine gennaio 2026, che si proporne di realizzare nanobot che possano muoversi autonomamente in tutti i punti del corpo umano. Si apprende che nell’ambito di tale progetto, i ricercatori prenderanno spunto dal comportamento dalle cellule del sistema immunitario, alcune delle quali sono capaci di modificare continuamente la propria forma corporea per adattarsi all’ambiente circostante, riuscendo così a penetrare in tutti gli interstizi dei tessuti biologici. Relativamente ai test di laboratorio finora portati avanti, è dello scorso marzo 2021 la notizia, riportata sulla rivista Science Robotics, circa la prima osservazione del movimento di uno sciame di nanorobot nell’organismo di un topo vivo. I nanorobot osservati si muovono autonomamente all’interno della vescica dei topi, al fine di esplorarla in modo non invasivo e indolore, utilizzando come combustibile l’urea presente nella loro stessa urina, Si tratta di uno studio condotto dall’Istituto di bioingegneria della Catalogna in collaborazione con l’Università di Barcellona.

Le osservazioni, eseguite tramite tecniche di microscopia e PET, tomografia a emissione di positroni, mostrano una distribuzione dei nanorobot omogenea e dal movimento collettivo coordinato ed efficiente. Si apprendono ottime notizie dai team degli scienziati e ricercatori internazionali, che fanno ben sperare sulla validità e l’applicabilità in futuro dei nanorobot per l’essere umano soprattutto per scopi diagnostici e terapeutici, ricordiamo l’esempio del nanorobot in azione all’interno di un vaso sanguigno per rilevare ed eliminare un trombo che ostacola la normale circolazione, oppure in azione nei dendrioni o assioni nei filamenti delle sinapsi del cervello, oppure nei vaccini per ricostruire dove potrebbe arrivare un possibile virus o batterio distruttivo.

 

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