Nanoparticelle di carbonio luminescenti, scoperta da UniTs struttura e potenziali applicazioni in nanomedicina

Una ricerca guidata dall’Università di Trieste, in collaborazione con Elettra Sincrotrone Trieste e CIC biomaGUNE, San Sebastian in Spagna, e pubblicata sulla rivista scientifica Nature Communications, ha esaminato la struttura delle nanoparticelle di carbonio - “carbon nanodots” – che promettono di essere di particolare interesse per il campo biomedico e per i settori della diagnostica per immagini e della nano-medicina.

Il professor Maurizio Prato, ordinario di chimica organica dell’Università degli studi di Trieste, assieme al dottorando Francesco Rigodanza e agli assegnisti Francesca Arcudi e Luka Đorđević, in collaborazione con Heinz Amenitsch e Max Burian di Elettra Sincrotrone Trieste, ha studiato il processo di formazione dei nanodots monitorandone le caratteristiche strutturali, chimiche e fotofisiche. In particolare, i ricercatori guidati dal professor Prato, hanno monitorato l’evoluzione delle nanoparticelle durante la loro sintesi osservandone dimensioni, forma, luminescenza e gruppi funzionali presenti sulla loro superficie. È stato inoltre possibile confermarne la struttura composta da una parte interna più dura e una esterna più flessibile. Questi risultati potranno essere utili alla comunità scientifica internazionale per la comprensione completa del loro meccanismo di formazione, ponendo basi solide per la progettazione di nanoparticelle con caratteristiche ad hoc per applicazioni in ambito biomedico.

Scoperti a metà degli anni 2000, i nanodots sono oggi al centro della ricerca nell’ambito delle nanoscienze per le loro eccellenti proprietà fisiche e chimiche di biocompatibilità, solubilità in acqua, facilità di sintesi e modifica funzionale della superficie. I ricercatori si sono soffermati in particolare sulla loro luminescenza: i nanodots, infatti, hanno un nucleo che ospita i cosiddetti cromofori che conferiscono loro proprietà luminescenti che li rende candidati ideali per la diagnostica per immagini. L’imaging biomedico è infatti il campo di applicazione più promettente: attraverso la modifica strutturale dei nanodots, essi possono essere usati per sviluppare agenti di contrasto per la risonanza magnetica.

Inoltre, da studi precedenti effettuati nello stesso laboratorio, è emerso che, legando molecole terapeutiche ai nanodots, questi possono essere usati per veicolare in modo mirato i farmaci (intelligent drug delivery) aprendo nuovi scenari nel campo della nanomedicina. In linea di principio, sarebbe possibile sintetizzare particolari nanoparticelle di carbonio capaci di individuare cellule tumorali e ancorarsi selettivamente solo a esse, senza produrre danni a cellule sane.

“Per studiare queste applicazioni – precisa Maurizio Prato, professore ordinario di chimica organica dell’Università degli studi di Trieste - sarà importante stabilire il profilo di biosicurezza e verificare in maniera incontrovertibile l’innocuità dei carbon nanodots. Gli studi finora condotti non hanno riscontrato effetti tossici, ma continueremo a indagare. La nanomedicina promette di rivoluzionare la medicina tradizionale grazie alle potenzialità dei nanomateriali, ma stiamo compiendo appena i primi passi in questa direzione. La nano-oncologia, che mira a migliorare l'efficacia dei tradizionali farmaci antitumorali, potrebbe rappresentare la nuova frontiera nella cura di queste patologie».

 

La figura riporta lo schema della reazione: si formano grandi aggregati (percorso 1°) e piccole molecole (percorso 2b). I grandi aggregati (LA) non portano a fluorescenza, come si vede dall’immagine di destra, mentre piccole molecole possono evolvere a piccole particelle molto fluorescenti (SP) o carbon nanodots (CNDs). 

Lo studio riportato in Nature Communications fa parte di uno percorso più ampio compreso nel progetto “e-DOTS”, finanziato dalla Comunità Europea come ERC Advanced Grant. È questo il secondo progetto ERC vinto dal prof. Prato. Il primo, dal nome “CARBONANOBRIDGE”, era stato finanziato nel 2008 e riguardava lo studio di interazione dei nanotubi di carbonio con il sistema nervoso.

Il professor Maurizio Prato è ordinario di chimica organica presso il Dipartimento di scienze chimiche e farmaceutiche dell’Università degli studi di Trieste dal 2000. Chimico organico, Prato è punto di riferimento a livello internazionale della funzionalizzazione di nanoforme del carbonio. Partito con lo studio della reattività dei fullereni, è passato a esplorare la reattività dei nanotubi di carbonio. Questo lavoro, di pura chimica organica, ha aperto la strada verso collaborazioni costruttive con chimico-fisici, biologi, medici e ingegneri: il risultato è stato l’accesso a un’interessante serie di applicazioni in vari settori interdisciplinari, soprattutto dell’energia e della medicina.

Studio pubblicato su Nature Communications, 11 maggio 2021

Snapshots into carbon dots formation through a combined spectroscopic approach

Francesco Rigodanza^1,8, Max Burian^4,7, Francesca Arcudi^1,6, Luka Đorđević^1,5, Heinz Amenitsch⁴ & Maurizio Prato^1,2,3

1. Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences, University of Trieste, 34127, Trieste, Italy
2. Center for Cooperative Research in Biomaterials (CIC biomaGUNE), Basque Research and Technology Alliance (BRTA), 20014, Donostia San Sebastián, Spain
3. Basque Foundation for Science, Ikerbasque, 48013, Bilbao, Spain
4. Institute of Inorganic Chemistry, Graz University of Technology, Graz, 8010, Austria
5. Simpson Querrey Institute, Northwestern University, Chicago, IL, 60611, USA
6. Department of Chemistry, Northwestern University, Evanston, IL, 60208, USA
7. Paul Scherrer Institute, 5232, Villigen, Switzerland
8. Department of Chemistry, University of Padova, 35151, Padova, Italy

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22902-w