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L’influenza della nanotecnologia sulle neuroscienze

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La nanotecnologia è una di quelle parole che possono sembrare difficili da definire. Ma cos’è esattamente? In cosa differisce dalla chimica e dalla fisica tradizionali? E in particolare, cosa offre lo studio del cervello e delle neuroscienze?

Le idee e i concetti originali della nanotecnologia sono generalmente attribuiti al famoso discorso tenuto nel 1959 da Richard Feynman:C’è un sacco di spazio in fondo“.

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Quindici anni dopo, nel 1974, Norio Taniguchi dell’Università di Tokyo coniò l’attuale termine “nanotecnologia”. Negli ultimi vent’anni ha avuto un impatto significativo sul modo in cui gli scienziati studiano e si interfacciano con il cervello, inclusa l’offerta di nuovi approcci per il trattamento dei disturbi neurologici.

Che cos’è – e non è – la nanotecnologia?

La nanotecnologia è un’area interdisciplinare della scienza e dell’ingegneria che si concentra su tecnologie e metodi in grado di manipolare e controllare materiali e dispositivi su scala molecolare utilizzando metodi fisici o chimici, o entrambi. Tipicamente, questo avviene entro un intervallo di circa 1-100 nanometri (nm).

Un nanometro è un miliardesimo di metro. Nove ordini di grandezza più piccolo di un metro. Oppure 1/1.000.000.000.

L’obiettivo della nanotecnologia è progettare proprietà funzionali a queste scale estremamente piccole – proprietà che non sono presenti nei blocchi costitutivi molecolari che costituiscono la nanotecnologia stessa. Un’importante caratteristica distintiva delle nanotecnologie è che possono essere definite sulla base di proprietà ingegneristiche funzionali piuttosto che sulla chimica o sulla fisica che abilitano tali proprietà.

Anche se questo può sembrare piuttosto sfumato, è questa definizione funzionale, o ingegneristica, che distingue la nanotecnologia dalle scienze naturali.

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In quanto tale, la nanotecnologia in un certo senso non è una nuova area della scienza in sé, ma piuttosto la convergenza interdisciplinare di campi di base (come chimica, fisica, matematica e biologia) e campi applicati (come la scienza dei materiali e le varie altre aree di ingegneria).

In questo quadro, la nanotecnologia può essere considerata una ricerca interdisciplinare che coinvolge la progettazione, la sintesi e la caratterizzazione di nanomateriali e dispositivi che hanno proprietà ingegnerizzate su nanoscala.

Come le nanotecnologie stanno contribuendo alle neuroscienze

Come altre applicazioni della nanotecnologia in biologia e medicina, in generale, la ricerca sulla nanotecnologia e sulla nanoingegneria rivolta al cervello e alle neuroscienze si concentra su due tipi generali di approcci: “nanotecnologie di piattaforma” che possono essere adattate e utilizzate per fare esperimenti che rispondono a un’ampia gamma di domande sulle neuroscienze; e “nanotecnologie su misura” progettate specificamente per affrontare un problema o una sfida specifici.

Le nanotecnologie di piattaforma sono materiali o dispositivi con proprietà fisiche e chimiche ingegnerizzate uniche che possono potenzialmente avere applicazioni ad ampio raggio in diverse aree delle neuroscienze.

Le nanotecnologie su misura iniziano con una domanda biologica o clinica ben definita e sono sviluppate per affrontare specificamente tale problema. Ad esempio, sono stati compiuti molti sforzi nello sviluppo di nuovi nanomateriali in grado di fungere da elementi costitutivi per tali applicazioni.

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A causa della complessità intrinseca dei sistemi biologici in generale, e del sistema nervoso in particolare, l’approccio su misura spesso si traduce in tecnologie altamente specializzate progettate per interagire con i loro sistemi bersaglio, come un tipo specifico di cellula in un particolare tipo di cervello – in modi sofisticati e ben definiti, e quindi più adatti ad affrontare il problema particolare rispetto a una piattaforma tecnologica generica.

Tuttavia, poiché le nanotecnologie su misura sono altamente specializzate, la loro applicazione più ampia ad altre parti del cervello o ad altri problemi può essere limitata o può richiedere un ulteriore sviluppo prima di poter essere utilizzate.

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Clinicamente, le applicazioni della nanotecnologia ai disturbi neurologici hanno il potenziale per contribuire in modo significativo a nuovi approcci per il trattamento di disturbi traumatici e degenerativi, nonché di tumori, che possono essere clinicamente difficili da gestire.

Le sfide cliniche imposte dal cervello e dal sistema nervoso e gli ostacoli affrontati da qualsiasi cosa progettata per mirare e interfacciarsi con essi sono, in larga misura, il risultato dell’anatomia e della fisiologia uniche. In particolare, il cervello è computazionalmente e fisiologicamente molto complesso e ha un accesso anatomico molto ristretto.

Si consideri, ad esempio, cosa si chiede a un tipico farmaco sviluppato per curare qualche disturbo neurologico. Il farmaco viene prima somministrato per via sistemica, ad esempio assunto per via orale o iniettato nel flusso sanguigno. Ha bisogno di raggiungere la barriera emato-encefalica, una barriera funzionalmente protettiva che copre il cervello, producendo nel contempo effetti collaterali sistemici minimi. Deve quindi attraversare con successo la barriera emato-encefalica con un’interruzione minima della barriera in modo da non influenzare la normale fisiologia del cervello o peggiorare una condizione neurologica esistente. Una volta oltre la barriera, ha bisogno di indirizzarsi selettivamente sulle cellule previste, ad esempio un particolare sottotipo di neurone in una parte specifica del cervello.

Solo allora può svolgere la sua funzione clinica attiva primaria, qualunque essa sia. Potrebbe modificare l’azione di un enzima, produrre una nuova proteina o bloccare o aumentare una particolare classe di recettori cellulari. Ma non può farlo se non riesce a raggiungere le cellule previste in modo sicuro, in quantità sufficienti e senza causare effetti collaterali negativi lungo il percorso. È difficile per un singolo farmaco realizzare tutto questo da solo.

Ma se accoppi un farmaco con un vettore molecolare nanoingegnerizzato, ad esempio, insieme diventano adatti ad affrontare queste sfide, perché possono essere progettati per svolgere più funzioni in modo coordinato.

All’interno di questo quadro di un vettore nanoingegnerizzato, il farmaco che svolge la funzione terapeutica primaria diventa un elemento del sistema – solo una parte dell’equazione, con altre parti del vettore nanoingegnerizzato progettate per fare il resto e rispondere ai requisiti discussi sopra che devono verificarsi per portare il farmaco alle sue cellule bersaglio.

Ad esempio, le strategie “biomimetiche” incorporate nella progettazione di nanoparticelle possono consentire una somministrazione efficiente di farmaci al cervello.

In effetti, la prevalenza della nanotecnologia nelle neuroscienze è stata così significativa negli ultimi anni che ora ci sono grandi sforzi di ricerca organizzati in cui il ruolo e il contributo delle nanotecnologie e della nanoingegneria non sono una novità, ma piuttosto una componente critica implicita di lo sforzo.

La ricerca sul cervello attraverso l’avanzare delle neurotecnologie innovative (BRAIN)

L’iniziativa, lanciata alla Casa Bianca nel 2013, mira a rivoluzionare il modo in cui gli scienziati misurano, studiano e si interfacciano con il cervello. Finora la maggior parte dell’attenzione si è concentrata sullo sviluppo di neurotecnologie innovative in grado di eseguire esperimenti e misurazioni sul cervello che superano qualsiasi capacità tecnologica precedente.

Da un punto di vista ingegneristico, molte, se non la maggior parte, delle neurotecnologie emerse dall’iniziativa BRAIN coinvolgono alcuni aspetti dell’ingegneria e dello sviluppo tecnologico su scala nanometrica. I metodi e gli approcci della nanoingegneria sono gli abilitanti tecnici delle neurotecnologie emerse da questa iniziativa.

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