Gli ultrasuoni aprono le gabbie supramolecolari e rilasciano il cisplatino, un farmaco antitumorale
Le nanostrutture a base di palladio possono essere aperte meccanicamente, il loro carico utile può essere rilasciato e possono essere riportate integralmente al loro stato originario
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I ricercatori dell’Università Heinrich Heine di Düsseldorf (HHU) hanno compiuto un passo importante verso lo sviluppo di materiali molecolari intelligenti. Il team guidato dal dott. Bernd M. Schmidt (Istituto di Chimica Organica e Chimica Macromolecolare) e dal prof. dott. Jan Meisner (Istituto di Chimica Fisica) ha dimostrato che è possibile attivare in modo selettivo, smontare in modo controllato e persino riassemblare nanostrutture molecolari complesse utilizzando gli ultrasuoni. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista scientifica *Nature Communications*. Queste scoperte potrebbero, ad esempio, contribuire in futuro allo sviluppo di farmaci antitumorali più mirati.
Le gabbie supramolecolari sono tra le strutture più affascinanti della chimica moderna. Sono costituite da singoli elementi molecolari che si autoassemblano in architetture tridimensionali. La ricerca su tali nanostrutture si concentra su applicazioni quali camere di reazione molecolare, sensori o potenziali sistemi di somministrazione di farmaci terapeutici. Sebbene il loro assemblaggio mirato sia ben compreso, lo smontaggio selettivo rappresenta ancora una sfida.
È qui che entra in gioco lo studio di Düsseldorf, ora pubblicato sulla rinomata rivista scientifica *Nature Communications*. I ricercatori hanno aggiunto catene polimeriche flessibili – che funzionano essenzialmente come minuscole corde molecolari – a gabbie molecolari basate sull’elemento chimico palladio. Quando questi sistemi vengono sottoposti a irradiazione ultrasonica, le catene polimeriche trasmettono forze meccaniche all’impalcatura della nanostruttura, consentendo di rompere selettivamente i legami e di aprire le gabbie in modo controllato. Questo meccanismo è importante, ad esempio, per consentire il rilascio mirato di farmaci terapeutici nell’organismo.
«Le molecole autoassemblate vengono spesso descritte come sistemi dinamici. Ad oggi, tuttavia, non erano disponibili metodi che consentissero un intervento meccanico mirato in questi processi. Il nostro lavoro dimostra che gli ultrasuoni possono essere uno strumento estremamente efficace per il controllo di tali nanostrutture», spiega il dott. Bernd M. Schmidt.
È particolarmente degno di nota il fatto che i ricercatori non solo siano stati in grado di osservare lo smontaggio delle strutture, ma, in condizioni adeguate, siano anche riusciti a riassemblare completamente i sistemi attivati.
I ricercatori hanno applicato direttamente i vantaggi pratici in un ulteriore ambito dello studio, ovvero il rilascio controllato del farmaco antitumorale cisplatino. Innanzitutto, il farmaco è stato incapsulato nei contenitori molecolari. L’irradiazione ultrasonica ha poi innescato l’apertura selettiva dei vettori del farmaco per consentirne il rilascio.
«Il rilascio del cisplatino è servito da modello di ricerca, dimostrando che le forze meccaniche possono essere utilizzate per rilasciare in modo mirato il carico molecolare dall’interno di nanostrutture supramolecolari», afferma l’autore principale Tim David. «Ciò apre interessanti prospettive a lungo termine per lo sviluppo di sistemi di trasporto intelligenti».
Per comprendere le osservazioni sperimentali a livello molecolare, i ricercatori hanno integrato i propri esperimenti con simulazioni al computer avanzate. Le dimensioni e la complessità dei sistemi esaminati hanno rappresentato una sfida particolare. A seconda dell’architettura, le strutture solvatate comprendono da diverse centinaia a oltre 4.000 atomi. L’interazione tra questi atomi deve essere calcolata con un elevato grado di precisione per garantire che le rotture dei legami indotte dalla forza meccanica siano rappresentate correttamente. I metodi di simulazione convenzionali raggiungono rapidamente i propri limiti in questo ambito: o è necessaria una potenza di calcolo eccessiva per sistemi così grandi, oppure i metodi semplicemente non sono in grado di rappresentare le rotture dei legami con sufficiente accuratezza.
Di conseguenza, il team guidato dal professor Jan Meisner ha utilizzato uno speciale potenziale interatomico basato sull’apprendimento automatico, ottimizzato specificatamente per la descrizione dei legami metallo-ligando. Ciò ha consentito di realizzare simulazioni molto più veloci rispetto ai calcoli quantistico-chimici convenzionali, ma in grado di rappresentare le reazioni chimiche con praticamente lo stesso grado di precisione. Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di determinare le forze alle quali si rompono i singoli legami palladio-azoto e il processo di disassemblaggio delle gabbie sotto sollecitazione meccanica.
«Le nuove simulazioni ci hanno permesso di stabilire quali forze siano necessarie per rompere i singoli legami all’interno delle gabbie», spiega il professor Jan Meisner. «Questo ci offre una visione diretta di processi che sono praticamente impossibili da osservare sperimentalmente. L’uso dell’apprendimento automatico ci ha consentito di simulare in modo efficiente sistemi grandi e complessi e di esaminare la reattività indotta meccanicamente».
Lo studio offre quindi approfondimenti fondamentali su come le forze meccaniche possano essere trasmesse attraverso i sistemi supramolecolari. Allo stesso tempo, apre nuove possibilità per lo sviluppo di materiali adattivi, sistemi molecolari commutabili e futuri sistemi di somministrazione di farmaci.
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