19/11/2014
Le nanoparticelle ingegnerizzate hanno invaso il nostro ambiente e possono penetrare in ogni cellula del nostro corpo. Il nostro cervello può convivere in modo sicuro con questi nuovi ospiti prodotti dalla tecnologia? La problematica è trattata in una review dell’Istituto di tecnologie biomediche del Cnr, pubblicata su ‘Progress in Neurobiology’
Negli ultimi decenni, con lo sviluppo dell’industria nanotecnologica, si è registrata una massiccia produzione e immissione nell’ambiente di nanoparticelle, dei cui effetti sulla salute e sull’ambiente si hanno ancora scarse conoscenze. Questa problematica e, in particolare, i potenziali effetti delle nanoparticelle sul cervello sono stati trattati in una review dal titolo ‘Engineered nanoparticles. How brain friendly is this new guest?’, pubblicata sulla rivista ‘Progress in Neurobiology’ da Luigi Zecca con i collaboratori Francesca Cupaioli, Fabio A. Zucca e Diana Boraschi dell’Istituto di tecnologie biomediche (Itb) del Cnr.
Le cosiddette ‘nanoparticelle’ hanno dimensioni sono comprese fra 1 e 100 nanometri (nm) circa (un nanometro = un miliardesimo di metro, o un milionesimo di millimetro): le attività umane immettono da molto tempo nell’ambiente nanoparticelle come prodotti della combustione dei motori, delle centrali termoelettriche, degli inceneritori e di altre attività. Negli ultimi trent’anni, però, sempre nuove nanoparticelle di dimensioni, geometria e composizione chimica molto variabile sono ingegnerizzate e prodotte dall’industria. Le applicazioni sono numerose: ad esempio nell’industria elettronica, per costruire micro-componenti di telefoni cellulari e computer, per aumentare la durezza degli abrasivi, per ridurre l’attrito nei lubrificanti, per migliorare le caratteristiche meccaniche di materiali polimerici, nei rivestimenti antiriflesso, nella decontaminazione delle acque di scarico, nella produzione di farmaci, come additivi per alimenti e cosmetici. La medicina le usa come mezzo di contrasto, per imaging diagnostico e per il trasporto dei farmaci all’interno dell’organismo. È quindi necessario conoscere gli effetti delle nanoparticelle sulla salute e sull’ambiente per regolamentare lo sviluppo sicuro delle nanotecnologie che garantisca un’adeguata protezione dei cittadini e dei lavoratori che vi entrano in contatto.
Il particolato atmosferico ultrafine (dimensioni 100-10.000 nanometri) prodotto dai processi di combustione, ad esempio, può raggiungere il cervello direttamente dopo inalazione oppure passando dagli alveoli e dal sangue: l’esposizione cronica a questo particolato provoca neuroinfiammazione e danni cerebrovascolari, e può contribuire allo sviluppo di malattie neurodegenerative.
I metodi tradizionali per le indagini tossicologiche non sono utilizzabili per studiare la tossicità delle nanoparticelle, a causa delle loro particolarità chimico-fisiche, quindi bisogna sviluppare metodi nuovi e specifici. E ancora, le nanoparticelle possono entrare nel corpo umano attraverso varie vie (pelle, apparato digerente, vie aeree, sangue), e una parte di queste può attraversare la barriera emato-encefalica e penetrare nel tessuto cerebrale: la penetrazione e gli effetti sul cervello sono relativi a proprietà chimico-fisiche, dimensione e forma delle particelle.
La maggior parte dei dati finora disponibili sugli effetti tossici di tali particelle sul sistema nervoso è stata ottenuta da studi con impostazione piuttosto casuale, poco controllati, talvolta affetti da artefatti e che impiegano diversi modelli (in vivo, in vitro su cellule umane e cellule animali), diversi tipi di nano particelle (per composizione chimica, dimensione, geometria) e diversi protocolli di trattamento (vie di somministrazione, dosi, veicoli, acuti, cronici). Una casistica non standardizzata che non permette di trarre conclusioni rigorose, e in alcuni casi non permette di trarne in assoluto. Molte preparazioni di nanoparticelle usate negli esperimenti erano contaminate da endotossine batteriche a concentrazioni tali da poter essere la causa degli effetti tossici osservati. I risultati degli studi sull’effetto infiammatorio delle nanoparticelle condotti dell’animale utilizzano dosaggi che difficilmente sarebbero raggiungibili in natura, rendendo poco credibili i risultati di tossicità.
Sarà necessario, quindi, valutare con futuri studi in vivo l’effettiva quantità di nanoparticelle che si accumula nel cervello, dopo essere entrata nel sangue e aver attraversato la barriera emato-encefalica. Sono necessari nuovi metodi per lo studio degli effetti biologici: uno di questi è l’utilizzo di colture di cellule umane ottenute da interventi chirurgici o post mortem. I modelli sperimentali basati sulle cellule staminali indotte pluripotenti umane, prelevate da individui sani e con specifiche patologie, sono molto utili in tal senso e dovrebbero essere impiegati per indagare gli eventuali effetti dannosi dalle nanoparticelle. Questo il suggerimento da dare per studi futuri.
Quando le nanoparticelle entrano nei neuroni e nelle cellule gliali possono interagire con tutti gli organelli presenti (lisosomi, mitocondri, reticolo endoplasmico, Golgi, nucleo) e con tutte le specie molecolari (proteine, lipidi, glucidi). È stato osservato che diversi tipi di nanoparticelle possono indurre reazioni neuroinfiammatorie e morte neuronale. Resta da verificare se l’interazione diretta tra nanoparticelle e Dna possa influenzare il trasferimento dell'informazione genetica dal Dna all'Rna, o i meccanismi di regolazione epigenetica, cioè i processi che variano l’espressione dei geni senza modificare la sequenza del Dna.
Rimane anche la necessità di condurre studi sugli animali di tipo selvatico e transgenico, per valutare gli effetti dell’esposizione prolungata, come avviene nell’uomo, allo scopo di indagare il ruolo delle nanoparticelle nell’innesco e nella progressione di malattie neurodegenerative o tumori. Fino a oggi le agenzie internazionali preposte alla regolamentazione e al controllo dell’uso dei farmaci quali FDA, EMA, etc. hanno autorizzato le industrie alla produzione, utilizzo e commercializzazione delle nanoparticelle, ma recentemente diverse agenzie hanno cominciato a redigere alcune regolamentazioni specifiche per le nanoparticelle ingegnerizzate, tese alla verifica della loro sicurezza (per la salute umana e per l’ambiente), in cui tuttavia si raccomandano valutazioni tossicologiche classiche che non sempre sono applicabili a queste nuove entità.
Oltre a Stati Uniti, Giappone e Australia, molti paesi europei si stanno attrezzando con regolamentazioni nazionali per un uso più sicuro dei nanomateriali. L’anno scorso tutti i paesi comunitari si sono uniti sotto l’egida della Commissione Europea in un progetto comune di standardizzazione e armonizzazione delle metodologie di controllo e valutazione degli effetti delle nano particelle. Il progetto, dal titolo ‘NANoREG’, punta a fornire metodi e informazioni alle autorità regolatorie europee, affinché l’Ue abbia una regolamentazione dell’uso sicuro dei nanomateriali unica e condivisa. Il Cnr, protagonista nello sviluppo di nanotecnologie e di nuovi nanomateriali, partecipa a ‘NANoREG’ mettendo a disposizione i suoi esperti nella fabbricazione e caratterizzazione chimico-fisica delle nanoparticelle e nella valutazione della sicurezza biologica.
Per ulteriori informazioni:
Luigi Zecca, direttore dell'Istituto di tecnologie biomediche (Itb) del Cnr, email: luigi.zecca@itb.cnr.it