È possibile trasformare batteri naturalmente magnetici in strumenti per individuare e colpire i tumori? È la sfida ambiziosa di MagBIO (Living magnetobots for targeted theranostics to tackle metastatic solid tumours), progetto internazionale che punta a sfruttare le proprietà magnetiche di questi microrganismi (i “magnetobot”) per potenziale la diagnostica e la terapia contro i tumori solidi.

Tra i partner figura anche l’Università di Bologna, coinvolta nel progetto con due gruppi di ricerca: quello di Federico Alberini, professore associato di Ingegneria chimica del dipartimento di Chimica industriale “Toso Montanari”, e quello di Paolo Blasi, professore associato di drug delivery e nanotecnologie del dipartimento di Farmacia e biotecnologie.

La ricerca è coordinata dalla Aston University (Regno Unito) ed è stata finanziata con 1,2 milioni di euro nell’ambito delle Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) Staff Exchanges e coinvolge 67 ricercatrici e ricercatori di 18 organizzazioni europee e statunitensi.

Perché le terapie attuali non sono ancora ottimali?

Una delle parole chiave è specificità. Molte terapie antitumorali vengono ancora effettuate con farmaci convenzionali che non colpiscono solo il bersaglio, ma anche altre cellule del corpo che si dividono più rapidamente.

«La quota di farmaco che non si accumula al tumore raggiunge altri organi o tessuti, con effetti collaterali anche importanti» spiega Blasi. «Se viene iniettato un farmaco per via endovenosa, questo si distribuirà nell’organismo in base alle proprie caratteristiche chimico-fisiche. Tuttavia, se cento molecole vengono immesse in circolo e solo dieci arrivano al tumore, posso pensare di iniettarne duecento per farne arrivare venti. Ma, contemporaneamente, aumenta anche il farmaco che rimane in circolo e quindi la tossicità». 

L’esempio emblematico è rappresentato dalla doxorubicina, utilizzata ormai da decenni nel trattamento di diverse neoplasie ma associata, tra gli altri effetti indesiderati, anche a una possibile tossicità cardiaca. Il problema è che le caratteristiche di una molecola non possono essere modificate senza modificare la molecola stessa, a meno che non venga veicolata attraverso un nanosistema, come una nanoparticella.

Colpire un bersaglio preservando i tessuti: l’idea alla base del drug targeting

È il concetto su cui si fonda l’impiego delle nanoparticelle, strutture con dimensioni dell’ordine dei nanometri, mille volte più piccole di un capello umano, che possono essere utilizzate come sistemi di trasporto dei farmaci. Il drug targeting o bersagliamento sito-specifico mira, infatti, a superare alcuni dei limiti legati all’impiego dei virus, che sebbene vengano resi non virulenti eliminando il materiale genetico responsabile della malattia, possono comunque essere riconosciuti dall’organismo e stimolare una risposta immunitaria.

«A quel punto l’organismo non “vede” più le caratteristiche chimico-fisiche del farmaco, ma la superficie della nanoparticella, che può essere modificata legandovi un frammento di anticorpo oppure una molecola capace di riconoscere un recettore sovraespresso a livello tumorale. La bio-distribuzione (ovvero il viaggio della molecola dal sangue verso i diversi organi e tessuti dell’organismo) non dipenderebbe più dalle caratteristiche chimico-fisiche della molecola, ma da quelle superficiali della nanoparticella».

Un principio simile è alla base di diverse piattaforme di drug delivery già utilizzate in medicina. Le nanoparticelle lipidiche impiegate nei vaccini a mRNA, per esempio, racchiudono e proteggono l’RNA e ne favoriscono l’ingresso nelle cellule. 

«La superficie di questi sistemi può essere progettata per modificarne il comportamento nell’organismo, per esempio decorandola con polietilenglicole e riducendone il legame con le proteine del sangue».

Ed è qui che arrivano i magnetobot

Nel 1963 Salvatore Bellini, medico e ricercatore all’Istituto di Microbiologia dell’Università di Pavia, osservò che alcuni batteri erano in grado di orientarsi seguendo le linee del campo magnetico terrestre. Circa dodici anni più tardi, il microbiologo statunitense Richard Blakemore scoprì il meccanismo alla base di questo comportamento: questi microrganismi assorbono ferro dall’ambiente circostante e producono al loro interno minuscole particelle magnetiche, costituite da minerali come la magnetite, organizzate in strutture chiamate magnetosomi che li aiutano a orientarsi nel proprio habitat.

Ed è proprio questa caratteristica ad aver attirato l’interesse della ricerca biomedica. «Se una particella è magnetica, invece di affidarsi soltanto alla modificazione della sua superficie per indirizzarla verso un determinato tessuto, è possibile cercare di attrarla mediante un campo magnetico» racconta Blasi. «Immaginiamo, per esempio, un tumore al fegato: iniettando le particelle ed utilizzando un campo magnetico per favorirne la concentrazione in corrispondenza del fegato. Durante la circolazione, man mano che raggiungono la zona interessata dal campo magnetico, le particelle vengono trattenute e possono accumularsi in maniera importante nel tumore».

A quel punto, alla distribuzione naturale del batterio nell’organismo si potrebbe aggiungere anche il controllo del movimento attraverso un campo magnetico esterno. «Inoltre, nel progetto ci sono esperti che utilizzeranno anche modelli non animali avanzati, come gli sferoidi, aggregati di cellule tumorali che simulano il tumore in vitro».

Ma la componente terapeutica è soltanto una parte della storia.

Vedere e trattare il tumore con lo stesso sistema

Un’altra possibile applicazione riguarda infatti la diagnostica per immagini.

«Se voglio capire dove si trova il tumore, quanto è grande, quali sono i suoi margini e come evolve durante la terapia, devo riuscire anche a visualizzarlo. È ciò che facciamo attraverso TAC, risonanza magnetica e altre tecniche. Una volta che questi microrganismi si accumulano in corrispondenza del tumore, possono contribuire anche alla sua visualizzazione».

È il concetto di teranostica: riunire all’interno dello stesso sistema una componente terapeutica e una componente diagnostica.

Una prospettiva affascinante, ma ancora lontana da una possibile applicazione clinica. Prima di arrivare ai pazienti, infatti, bisognerà superare diversi ostacoli.

Le sfide principali: scalabilità e riproducibilità

«Una delle questioni fondamentali è capire come far crescere questi batteri in condizioni che ne preservino le caratteristiche – chiarisce Alberini -. Durante la fermentazione possono subentrare fenomeni legati alle condizioni operative del fermentatore e parametri di processo che possono variare nel tempo, e se non vengono controllati con grande precisione, possono modificare radicalmente il comportamento del sistema. Se venisse introdotta, per esempio, una sostanza dannosa per loro, si potrebbe compromettere completamente la coltura. Parliamo comunque di esseri viventi, quindi, di sistemi che non sono facilmente programmabili dal punto di vista produttivo e ingegneristico». 

Un limite tutt’altro che secondario. Per arrivare a una futura applicazione farmaceutica non basta infatti dimostrare che il sistema funziona una volta in laboratorio: bisogna riuscire a produrlo su scala più ampia mantenendo, allo stesso tempo, caratteristiche precise e riproducibili.

«La maggior parte degli studi viene condotta su scale molto piccole, tipicamente di laboratorio, proprio per capire quali sostanze utilizzare e quali siano le condizioni di coltura ottimali affinché questi batteri svolgano la funzione desiderata. Tuttavia, se da un litro di coltura ricavo soltanto pochi grammi di prodotto, è difficile immaginare un’applicazione reale».

Per passare dal laboratorio alla clinica ci vorrà tempo

Una delle competenze centrali del gruppo di ricerca in cui Alberini svolge i suoi studi, è proprio quella di comprendere come trasformare un processo sperimentale in un processo controllabile, riproducibile e applicabile su scala più ampia.

Non è un caso che uno dei punti di forza del progetto sia la multidisciplinarità: i diversi partner lavorano sugli aspetti e modelli diversi, mettendo insieme competenze che spaziano dalla microbiologia alla farmacologia, fino all’ingegneria di processo.

La riproducibilità, invece, non riguarda soltanto la quantità di batteri prodotti, ma anche le loro caratteristiche.

«Il problema è riuscire ad avere un sistema che possa essere direzionato in maniera controllata attraverso il campo magnetico, perché i microrganismi possono assumere comportamenti differenti in funzione delle condizioni» specifica Alberini. «Dovremmo avere batteri il più possibile uniformi, contenenti quantità comparabili di particelle magnetiche. Se alcuni batteri contenessero molti magnetosomi e altri molti meno, infatti, potrebbero rispondere in maniera differente allo stesso campo magnetico: i primi verrebbero attratti più facilmente, mentre per richiamare quelli meno magnetici potrebbe essere necessario un campo di intensità maggiore».

Una variabilità che, in un sistema destinato all’uso clinico, deve essere compresa e controllata.

Dal trasporto al rilascio: la sfida è preservare l’efficacia del farmaco

«È difficile indicare oggi un singolo farmaco che verrà caricato – precisa Blasi -. Dipenderà dal tumore da trattare. Nel progetto ci sono esperti che utilizzeranno anche modelli non animali avanzati, come gli sferoidi. In base al tipo di tumore verrà utilizzato il farmaco di riferimento, quello che sappiamo funzionare per quella determinata patologia, quindi il gold standard». 

Uno degli obiettivi sarà infatti capire se i batteri riescono a trasportare quantità adeguate di farmaco e a rilasciarlo mantenendone l’efficacia. Infine, l’introduzione di batteri nell’organismo apre inevitabilmente interrogativi sulla risposta dell’ospite e sulla possibilità che i microrganismi vengano intercettati ed eliminati prima ancora di raggiungere il bersaglio.

«Bisognerà capire come reagisce il sistema immunitario, tenendo a mente che una risposta immunitaria non è sempre negativa. Pensiamo ai vaccini, nei quali l’impiego degli adiuvanti serve proprio a stimolarla. Nei tumori risvegliare in una certa misura il sistema immunitario potrebbe persino avere aspetti interessanti».

Il problema nasce però se questa risposta impedisce al sistema di svolgere il proprio compito.

«Se, una volta iniettati i batteri, il sistema immunitario li riconosce immediatamente, li cattura, li porta al fegato e li elimina prima che riescano ad accumularsi nel tumore, oppure prima che ne arrivi al bersaglio una quantità sufficiente, l’efficacia del sistema viene compromessa».

Fondamentale far convergere competenze diverse e sviluppare quelle mancanti

«Io ho già iniziato quest’estate» racconta Alberini. «Sono stato da un collega a Birmingham per vedere quali sistemi si utilizzano per la produzione di questi batteri e mi sono reso conto che procedure considerate solide e riproducibili, in realtà non lo sono abbastanza. Per esempio, riguardo la regolazione dell’ossigeno: questi batteri non hanno bisogno di molto ossigeno, anzi un eccesso può danneggiarli. All’inizio della coltivazione, però, ne hanno bisogno in piccolissime quantità per far partire il processo».

Ed è forse proprio qui che si trova una delle sfide più interessanti di MagBIO.

Prima di riuscire a guidare un batterio verso un tumore, bisogna riuscire a guidarne con altrettanta precisione la crescita, le caratteristiche e la produzione, trasformando un organismo vivente in un sistema controllabile e riproducibile.