Nanotubi di carbonio e drug delivery

L’uso di nanotubi di carbonio, come veicoli di rilascio per il trattamento dei disturbi del sistema nervoso centrale, è dovuto alle loro proprietà fisico-chimiche, in particolare, alla buona dispersività in solventi fisiologici, alla superficie estesa, alla capacità di essere facilmente funzionalizzabili con farmaci e alla biocompatibilità con tessuti nervosi. Solo pochi studi sono stati pubblicati sull’uso dei CNT per il rilascio di farmaci nel cervello, tuttavia, questo andrà in crescendo nei prossimi anni e la neuroterapia con l’uso di nanotubi di carbonio potrebbe essere largamente sfruttata per il trattamento di varie patologie neurologiche.

Il processo attraverso il quale avviene il rilascio di farmaci può essere brevemente descritto come segue: il farmaco viene fissato o sulla superficie o all’interno del nanotubo di carbonio funzionalizzato, il coniugato ottenuto viene poi introdotto all’interno del corpo (animale) attraverso classiche somministrazioni (orale od iniezione) o direttamente al sito bersaglio attraverso l’uso di un coniugato magnetico (per esempio guidato da un magnete esterno all’organo bersaglio); la cellula ingerisce la capsula farmaco-CNT ed infine il nanotubo versa il contenuto nella cellula e quindi il farmaco viene rilasciato. Nella maniera più semplice possibile possiamo descrivere il processo di rilascio del farmaco (schematizzato nella Figura 2, [17]) come segue: (a) la superficie del CNT è collegata ad un recettore chimico (Y) ed il farmaco (●) è incapsulato all’interno del nanotubo; (b) l’estremità aperta del CNT viene chiusa; (c ) il vettore farmaco-CNT viene introdotto nel corpo e raggiunge la cellula bersaglio grazie al recettore chimico presente sulla superficie del CNT; (d) la cellula internalizza il CNT attraverso i recettori (V) per

31 esempio per endocitosi, (e) il “cappello” viene rimosso o biodegradato all'interno della cellula, e successivamente il farmaco viene rilasciato (f).

Generalmente, I nanotubi di cabonio funzionalizzati possiedono l’abilità di trasportare le molecole d’interesse attraverso la membrana citoplasmatica e la membrana nucleare senza produrre effetti tossici; d’altra parte, il coniugato farmaco-CNT dimostra essere più sicuro e più efficace rispetto al farmaco usato da solo e preparato con metodi tradizionali. Raggiunta la cellula bersaglio, ci sono due possibilità per rilasciare il farmaco: il farmaco può entrare nelle cellule senza internalizzazione del CNT-trasportatore, oppure, sia farmaco che CNT-trasportatore entrano nelle cellule. Quest'ultimo metodo di internalizzazione è più efficace rispetto al primo, perché dopo l'entrata nelle cellule, l'ambiente intracellulare degrada il coniugato trasportatore del farmaco rilasciando le molecole di farmaco in situ, cioè, all'interno delle cellule. Nel metodo di non- internalizzazione, invece, l'ambiente extracellulare aiuta a degradare il coniugato vettore- farmaco e il solo farmaco poi attraversa la membrana lipidica per entrare nelle cellule, con ciò, vi è la possibilità di degradazione del farmaco durante questa penetrazione. Essendo, quest’ultimo meccanismo, meno convincente, non è ancora ben conosciuto.

Figura 2. [17]

In breve, le spiegazioni circa la capacità del CNT nell’attraversare le membrane cellulari per la somministrazione di farmaci sono dovute alla semplice interazione idrofobica, all'interazione di impilamento, all'adsorbimento elettrostatico e ai legami covalenti nella loro struttura, ma anche all'adsorbimento nella cavità del cilindro, che tende ad aumentare la capacità di adsorbimento. [17] Inoltre, i CNT hanno la capacità non solo di penetrare nelle cellule per promuovere l'assorbimento cellulare di molecole terapeutiche, ma anche

32 di mantenerle intatte durante il trasporto e la penetrazione cellulare. L'ultima proprietà consente la riduzione delle dosi di farmaci utilizzati, e di conseguenza la riduzione del rischio di tossicità. Il primo impiego dei CNT per il trattamento di disturbi del sistema nervoso centrale prevedeva l’utilizzo di corti SWNT fisicamente adsorbiti con acetilcolina (SWNT-ACh) in cervelli di topi affetti da Alzheimer. L’acetilcolina è un neurotrasmettitore naturale del sistema nervoso colinergico ed è connesso con le attività nervose di alto livello, come imparare, pensare e memorizzare. Non ci sono altri modi per fornire acetilcolina nel cervello, perché l'acetilcolina è un composto con forte polarità, e ciò rende difficile il passaggio attraverso la barriera emato-encefalica. A tal proposito, i nanotubi di carbonio essendo in grado di attraversare la barriera emato-encefalica, vengono utilizzati per rilasciare acetilcolina entro i neuroni affetti dal disturbo (Yang e colleghi). Questo sistema rilascia con successo acetilcolina nei neuroni del cervello e, attraverso l’immagazzinamento di questa nell’assoplasma dei neuriti, ha migliorato in modo significativo la capacità di apprendimento e di memoria degli animali del modello affetti da Alzheimer. Da questo studio è emerso che dosi di SWNT sotto i 300 mg/kg potrebbero garantire il rilascio di acetilcolina entro i lisosomi dei neuroni, così rendendo la terapia più efficace senza compromettere il profilo tossicologico del materiale. Inoltre, i SWNT funzionalizzati con gruppi amminici, attraverso reazione di amminazione, migliora la tolleranza dei neuroni a danni neurologici, questi sono così protetti dai deterioramenti e le loro funzioni sono riacquisite attraverso la modificazione amminica dei SWNT senza dover ricorrere a interventi chirurgici terapeutici. La neuroprotezione potrebbe essere ottenuta nel futuro, per il trattamento di disturbi neurologici, attraverso il rilascio di nanofarmaci. A tal proposito, le neurotrofine, proteine coinvolte nella neuroprotezione, sono essenziali nello sviluppo e nella funzione di neuroni dei sistemi nervosi centrale e periferico. Queste possono essere rilasciate all’interno del cervello attraverso l’utilizzo, appunto, dei nanotubi di carbonio. I MWNT amminici sono efficacemente coinvolti nel rilascio di small interfering RNA (siRNA, breve RNA interferente) che riduce l’apoptosi al sito danneggiato e promuove la guarigione di neuroni motori funzionali in un modello di ratto (Al-Jamal e colleghi).

È necessario chiarire il fatto che la presenza della barriera emato-encefalica pone un enorme problema per il trattamento di disturbi neurologici tramite rilascio di farmaci; ha, di fatto, un’elevata selettività che permette solo ad una piccola quantità di sottosostanze presenti nella circolazione sanguigna di guadagnare l’accesso al sistema nervoso, nello specifico, ostacola il rilascio di molecole nel sistema nervoso centrale permettendo di

33 giungere a destinazione meno dell’1% delle sostanze del farmaco somministrato mediante iniezione endovenosa. [16]