Sviluppo ed applicazioni biomediche di sistemi nanostrutturati superparamagnetici costituiti da maghemite (SAMN, Surface Active Maghemite Nanoparticles) e bioelementi

Con il rapido sviluppo delle nanotecnologie, le nanoparticelle magnetiche sono ad oggi largamente studiate. Da tempo è noto, che le proprietà chimico-fisiche delle nanoparticelle differiscono da quelle del materiale grezzo avente la stessa composizione. In particolare, le caratteristiche che compongono le nanoparticelle sono: elevato rapporto superficie su volume, elevata reattività superficiale, elevata efficienza catalitica e forte capacità di adsorbimento, caratteristiche utili nell’immobilizzare sulla loro superficie determinate molecole. Le nanoparticelle utilizzate in questo progetto di ricerca, chiamate SAMN (surface active maghemite nanoparticles), sono state sintetizzate mediante un semplice ed innovativo metodo di sintesi, in un intervallo di dimensioni attorno ai 10 nm, e sono caratterizzate da un comportamento chimico specifico senza alcuna modificazione o derivatizzazione superficiale. Queste nanoparticelle magnetiche presentano un elevato momento magnetico e proprietà superparamagnetiche, ossia, tali particelle sono in grado di rispondere all’applicazione di un campo magnetico esterno e, una volta rimosso, non trattengono alcuna magnetizzazione residua. Perciò, particelle superparamegnetiche risospese, possono essere rimosse da una sospensione, mediante applicazione di un campo magnetico esterno e, una volta rimosso, non formano aggregati. Un brevetto internazionale, che coinvolge l’Università di Padova, è stato depositato a protezione del metodo di sintesi e di alcune applicazioni. La caratterizzazione del materiale è stata effettuata mediante microscopio a trasmissione elettronica, analisi spettrofotometriche e spettrofluorimetriche, spettroscopia infrarosso e Mossbauer, da misure di magnetizzazione nell’intervallo di temperatura tra 2 K e 300 K e mediante studi di diffrazione a raggi x su polveri (XRPD) (Acta Biomaterialia, 2012), in collaborazione con il Dipartimento di Scienze Chimiche e il Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova e il Centro di Ricerca per i Nanomateriali dell’Università di Palacky in Olomouc (Repubblica Ceca). La superficie di queste nanoparticelle è stata funzionalizzata con proteine di grande interesse biotecnologico, quali la perossidasi di rafano, l’avidina e la biotina, allo scopo di unire il vantaggio proveniente dall’immobilizzazione delle proteine su nanomateriali e la semplicità d’uso delle nanoparticelle magnetiche. Questo sistema nanostrutturato magnetico composto da nanoparticelle e bioelementi, è stato usato per sviluppare un metodo poco costoso, semplice e rapido per la purificazione di proteine, per l’immobilizzazione di enzimi, per applicazioni in clinica diagnostica e per lo sviluppo di biosensori. In particolare, il complesso SAMN@avidina è stato usato per purificare la proteina umana ricombinante Ca2+ - ATPasica , SERCA-1A, espressa in S. Cerevisiae. La SERCA è una proteina di membrana Ca2+-ATPasica abbondante nel muscolo scheletrico la cui funzione è indispensabile nel sistema di accoppiamento eccitazione-contrazione. Viene usata come prototipo di un’intera famiglia di pompe ATP-asica di tipo P, che oltre ad essere coinvolte nel trasporto dello ione Ca2+, sono coinvolte anche nel sistema di trasporto dei protoni Na+,K+ e H+,K+ e nel trasporto di metalli pesanti. Purificare in maniera efficiente tale proteina, permette di analizzarla mediante cristallografica a raggi x ed elucidare così importanti aspetti dell’attivazione della pompa e la sua regolazione. Inoltre, la capacità della sonda, rodamina B isotiocianato, di interagire con la superficie delle nanoparticelle, tramite il gruppo isotiocianato, è stata sfruttato per immobilizzare la glucosio ossidasi (GOx) e l’ammino ossidasi di siero bovino (BSAO). Questi enzimi (GOx e BSAO) immobilizzati sulla superficie delle nanoparticelle mantengono la loro attività catalitica, sebbene sia stata osservata una riduzione dell’attività catalitica. La riduzione è attribuita ad effetti sterici, ad esempio, alla minor accessibilità del sito attivo al substrato, a cambi conformazionali nella struttura enzimatica in seguito all’immobilizzazione o alla parziale denaturazione dell’enzima nelle condizioni sperimentali usate per la sua immobilizzazione. Il complesso SAMN@GOx è stato usato per sviluppare un biosensore elettrochimico per la determinazione del glucosio in campioni alimentari (Biosensors and Bioelectronics, 2012). Nel frattempo, il complesso SAMN@BSAO è stato usato per produrre prodotti citotossici, quali perossido di ìdrogeno, aldeidi ed ammoniaca, in cellule tumorali (International Journal of Nanomedicine, 2012). La presenza del nanocatalizzatore può essere convenientemente monitorata mediante la sua fluorescenza e può essere rapidamente rimosso tramite applicazione di un campo magnetico esterno e riutilizzato diverse volte senza perdere la sua efficienza catalitica.