Lo studio dal titolo “Decagram-Scale Synthesis of Multicolor Carbon Nanodots: Self-Tracking Nanoheaters with Inherent and Selective Anticancer Properties“, condotto da un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Scienze Biologiche Chimiche e Farmaceutiche (STEBICEF) dell’Università degli Studi di Palermo, è stato pubblicato su ACS Applied Materials & Interfaces, prestigiosa rivista dell’American Chemical Society.

Il team, composto dal dott. Nicolò Mauro, dalla dott.ssa Mara Andrea Utzeri, dalla prof.ssa Gennara Cavallaro e dal prof. Gaetano Giammona, in collaborazione con il gruppo di ricerca del prof. Fabrizio Messina del Dipartimento di Fisica e Chimica “E. Segrè” UniPa - composto dalla dott.ssa Alice Sciortino, dal prof.  Marco Cannas e dal prof. Gianpiero Buscarino - e del dott. Radian Popescu del KIT-Karlsruhe Institute of Technology, ha sviluppato con successo un processo sintetico su larga scala di nanoparticelle di carbonio zero-dimensionali, denominate carbon nanodots, ingegnerizzate in superficie in modo da essere visualizzate all’interno del corpo umano dopo la loro somministrazione e indurre effetti citotossici intrinseci a livello tumorale sotto costante monitoraggio. 

I carbon nanodots ottenuti in questo studio emettono luce visibile se eccitati dall’esterno e producono localmente calore e specie reattive dell’ossigeno (ROS) estremamente tossiche per le cellule tumorali. Queste nanomacchine sono state progettate per fungere da nanobisturi in medicina di precisione, per la rimozione selettiva e non invasiva del tumore al seno guidato da immagini a fluorescenza.

«A differenza delle nanomedicine già studiate - spiegano dal team di ricerca - i carbon nanodots sono nanostrutture estremamente piccole (qualche miliardesimo di metro) e possono accumularsi facilmente all’interno del parenchima tumorale, superando le barriere fisiche del microambiente tumorale. All’interno delle cellule tumorali possono quindi svolgere la loro azione citotossica selettiva e, concomitantemente, permettere la visualizzazione della massa tumorale mediante l’emissione di luce visibile. Infatti, una volta all’interno delle cellule tumorali, sono in grado di interferire con i normali processi mitocondriali, innescando la formazione di ingenti quantità di ROS che, a loro volta, inducono la morte cellulare. Di contro, non è stata osservato un aumento significativo dei livelli di ROS in cellule sane, prospettando quindi un effetto selettivo per le sole cellule tumorali, anche quelle eventualmente evase dal tumore primario e disseminate in nicchie premetastatiche presenti in altri organi.

Le nanomedicine sviluppate in questo studio svolgono la loro azione citotossica senza necessariamente rilasciare farmaci antitumorali, come di norma fanno le nanomedicine convenzionali con effetti collaterali importanti ed indesiderati, e sono così piccole da potere essere naturalmente eliminate per via renale a seguito dei normali processi di biodistribuzione. Ciò che li rende speciali ed uniche è la loro abilità intrinseca di innescare la morte cellulare delle sole cellule di tumore mammario, ignorando categoricamente le cellule sane e comportando un effetto antitumorale selettivo ed efficiente.   

Lo studio - proseguono gli autori - dimostra inoltre che la nanotecnologia sviluppata induce una iperproduzione localizzata di ROS a seguito dell’esposizione a un laser a infrarossi comunemente utilizzato in fisioterapia. Il funzionamento si basa sulla capacità dei carbon nanodots ingegnerizzati con atomi di azoto e zolfo di assorbire luce infrarossa, notoriamente in grado di penetrare in profondità nei tessuti umani, e di generare calore locale che esacerba lo stress cellulare e la formazione di ROS. Pertanto, applicando degli impulsi infrarossi in corrispondenza della massa tumorale da eradicare, individuata sfruttando le immagini a fluorescenza generate dai carbon nandots presenti all’interno di essa, è possibile ottenere l’ablazione selettiva del tumore sotto costante monitoraggio e la guida di immagini. 

In definitiva - concludono i ricercatori - i carbon nanodots sviluppati in questo studio combinano in una singola nanomacchina innumerevoli funzioni sinergiche, quali: la possibilità di tracciare e monitorare le cellule tumorali tramite imaging a fluorescenza, la produzione intrinseca di ROS all’interno delle cellule tumorali e la produzione on demand di ROS nella massa tumorale mediante stimolazione ottica guidata da immagini. Queste funzioni possono agire sinergicamente per eradicare in maniera efficiente e personalizzata il tumore al seno e per superare i limiti delle tecniche farmacologiche e di nanomedicina tradizionali, come effetti off target, impossibilità di monitorare il trattamento terapeutico, biodistribuzione aspecifica e bioaccumulo».