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DNA come biomateriale

di Carolina C.

Le nostre istruzioni genetiche sono preziosissime: Il DNA non solo determina ciò che siamo, ma può anche essere utilizzato in medicina per la terapia genica. Non è tutto: guardandolo da un punto di vista strutturale e fisico, un team di biotecnologi e di fisici dei materiali ha sviluppato i cosiddetti “DNA idrogel”, dei polimeri la cui struttura è fatta di acidi nucleici e al cui interno troviamo dell’acqua. 

Questi possono essere utilizzati in diverse applicazioni biomediche: nella formulazione di farmaci, nella terapia genica e negli approcci di terapia cellulare.

Il DNA come biomateriale mostra qualità come biocompatibilità e biodegradabilità, che al giorno d’oggi sono requisiti fondamentali per la messa a punto di nuove tecnologie. Inoltre, il DNA risponde a diversi stimoli fisici, come cambi di temperatura o di pH, ma anche chimici e questo rende la struttura stessa del DNA controllabile. Nella farmacologia è importantissimo controllare il rilascio di un farmaco, ed è a questo proposito che gli Idrogel trovano la loro vocazione. 

Un esempio: il mio obiettivo terapeutico è l’intestino, il cui pH è neutro.  Un farmaco assunto per via orale dovrà necessariamente passare per lo stomaco, un ambiente notoriamente acido; avere quindi degli idrogel che si sciolgono solo in presenza di un pH neutro proteggerebbe il mio farmaco fino al raggiungimento del suo obiettivo, l’intestino, e sarà solo a questo punto che l’ idrogel si dissolverà e rilascerà il farmaco. 

Tratto Gastro Intestinale: In questo tratto avviene la scomposizione del cibo, al fine di assorbire nutrienti e liquidi, ma anche l’eliminazione di componenti non digeribili.
È caratterizzato da diversi gradi di Ph necessari al corretto funzionamento dei differenti organi deputati alla digestione

Infine, l’ingegneria genetica, con l’avvento della tecnologia CRISPR/CAS9, offre nuovi spunti. Questo macchinario molecolare, di origine batterica, è costituito da due parti:  le guide CRISPR e la proteina CAS9. Le guide fungono da stampo per la CAS9, deputata al taglio e all’eventuale correzione del DNA bersaglio.

Il DNA è, quindi, diventato ri-programmabile e regolabile, ridefinendo il potenziale degli idrogel di DNA.

A tal proposito, in Massachusetts i ricercatori del MIT, guidati dal dottor Collins, hanno sfruttato la Cas12a, una versione ottimizzata della Cas9,  per rendere gli idrogel ancora più malleabili. I loro idrogel sono programmabili per il rilascio di enzimi, cellule e molecole in contesti speciali. 

Basti pensare alla sempre più emergente terapia cellulare anti-tumorale, in cui le cellule del sistema immunitario sono ingegnerizzate per riconoscere ed uccidere il tumore stesso.

Non sempre, però, queste riescono a raggiungere facilmente l’organo interessato. 

Gel Controllati dal Sistema CRISPR: I ricercatori del MIT hanno creato un materiale intelligente, detto idrogel, la cui struttura è costituita da filamenti di DNA. La proteina CRISPR-Cas12a taglia i filamenti di DNA cambiando la forma dei gel che possono essere controllati per il rilascio di farmaci e particelle per accendere un circuito elettrico.

Avere quindi un veicolo che rilasci le cellule soltanto nell’organo interessato ha i suoi vantaggi ed è per questo che il dott. Collins ed il suo team hanno testato gli idrogels anche per il rilascio di cellule del sistema immunitario, testandone la vitalità all’interno dell’idrogel e simulandone con successo il rilascio in vitro.

Successivamente il gruppo di scienziati ne ha testato il potenziale anche in diagnostica. Hanno inserito gli idrogel in dei piccoli chip costituti da una camera di microfluidica collegata ad un circuito elettronico. Quest’ultimo si spegnerà quando il sistema entrerà in contatto con il contenuto genetico e l’idrogel cambierà forma. 

È stato testato, per esempio, per il virus Ebola e per individuare la presenza del batterio Stafilocco aureo resistente agli antibiotici. La prospettiva è, quindi, quella di sviluppare dei “farmaci intelligenti”, in grado di entrare in azione solo quando necessario, e dei sistemi diagnostici che funzionino da sensori che si accendano o spengano in presenza di malattia. [CC]

References:

DNA Hydrogels for Biomedical Applications

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02542-3

https://science.sciencemag.org/content/365/6455/780

 J. Li, D. J. Mooney, Nat. Rev. Mater. 1, 16071 (2016).

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