La Biomimetica in campo medico

La rinnovata collaborazione tra Zoologi, Botanici e Medici sta portando alla sperimentazione di nuove applicazioni mediche ispirate alla Natura. Anche questo settore, infatti, può trarre idee e benefici dall’osservazione di ciò che la selezione naturale ha portato avanti, perché funzionale ed efficiente; ciò che resta da fare è provare a replicare, con i giusti adattamenti, le soluzioni dell’evoluzione. La ricerca di esempi da proporvi è stata davvero entusiasmante e si è conclusa con la seguente selezione:

Cirripedi
Colla chirurgica dai Cirripedi

Un nuovo incredibile prodotto si ispira al cemento usato dai Cirripedi e dai Mitili per rimanere attaccati a scogli e pareti rocciose, resistendo alla forza delle onde e delle correnti marine; la forza di questo adesivo sta nella stratificazione dei filamenti proteici in strutture simili al cemento che si incrociano per ottenere un extra effetto. Sono gli ingegneri del MIT a lavorare per perfezionare la nuova colla in grado di suturare gli organi in circa 15 secondi, ovvero più velocemente di qualunque altro prodotto chirurgico-ospedaliero disponibile sul mercato. Si tratta di una pasta biocompatibile che può unire persino tessuti bagnati, per cui la sua applicazione è perfetta su ferite e tessuti irrorati di sangue; quando viene applicata, infatti, la sua componente oleosa allontana il sangue ed eventuali altre sostanze liquide, permettendo alle microparticelle adesive di formare uno strato di colla superficiale. L’arresto del sanguinamento è quindi istantaneo, permettendo ai tessuti di rigenerarsi da soli e senza riportare segni di cuciture. Lo strato di colla può essere riassorbito nel corpo in qualche mese, oppure rimosso a tempo debito con una speciale soluzione solvente. Al momento si pensa di utilizzare questa colla su larga scala per intervenire tempestivamente in caso di ferite da trauma o per controllare il sanguinamento durante gli interventi chirurgici, ma non mancano idee più ambiziose che progettano speciali tubi antisettici per l’ECMO, una macchina che pompa il sangue del paziente fuori del corpo per ossigenarlo.

Oloturia | © krasivosti.pro
Microelettrodi cerebrali dalle Oloturie

Conoscete l’Oloturia? Viene chiamata in gergo comune Cetriolo di mare per la sua evidente somiglianza con la cucurbitacea che mangiamo nell’insalata. Eppure non si tratta di una pianta, bensì di un animale e più precisamente di un Echinoderma. Il forte interesse del settore medico a questo invertebrato marino è dovuto alla sua capacità di passare facilmente dalla flessibilità necessaria a scivolare tra le rocce, alla rigidità utile a difendersi dai predatori. Come ci riesce? La struttura della sua pelle è costituita da una rete di fibre di cellulosa e l’intensità delle connessioni è regolata dal sistema nervoso dell’animale. Una molecola viene prodotta in caso di pericolo e innesca l’unione delle fibre a formare uno scudo; quando è al sicuro, invece, secerne proteine con proprietà emollienti per restituire flessibilità alla pelle. Queste capacità di adattamento hanno ispirato i ricercatori dell’università di Cleveland nel 2008 che sono riusciti a ricreare un materiale analogo per i microelettrodi che vengono impiantati nel cervello dei pazienti in terapia. Questi elettrodi sono normalmente costituiti da metallo, silicone o ceramica poiché serve rigidità per l’impianto nel tessuto cerebrale; il problema, però, è che essendo rigidi con il passare del tempo possono danneggiare i tessuti, se prima non vengono rigettati dall’organismo perché riconosciuti come corpi estranei. Gli impianti che imitano le oloturie, invece, sono composti da fibre di cellulosa e da un polimero gommoso che, quando immersi in acqua, si scindono a livello molecolare nei due componenti, diventando flessibili. Questo garantisce rigidità al momento dell’impianto e flessibilità per la permanenza.

Fiore di loto
Anti-age dal loto

Il fiore di Loto è una bellissima pianta acquatica che è diventata famosa per aver ispirato l’effetto loto nei processi industriali e nella vita quotidiana. Oggi gli studenti californiani sono intenti a studiare invece i semi di questa pianta per la loro capacità di affrontare l’invecchiamento. È risaputo che i semi riescono a conservarsi a lungo e attendere le condizioni ideali per germogliare, poiché la selezione naturale ha portato in questa direzione le piante filogeneticamente più evolute. Il Loto è sicuramente tra i semi più sorprendenti da questo punto di vista e lo dimostrano i ritrovamenti fatti in Cina di semi vecchi 1300 anni, mentre quelli più recenti, di 500 anni fa, sono addirittura riusciti a germogliare con successo. Il segreto sta nella loro scorza esterna che protegge il seme dall’aria e dall’acqua.

Semi di fiori di loto

Al suo interno sono presenti enzimi riparatori che lo aiutano a resistere alle temperature estreme e all’attacco dei batteri, portando le parti danneggiate a riformarsi. Questi enzimi conservativi, quindi, sono in grado di contrastare l’invecchiamento dei tessuti a livello molecolare. Pensate che possa interessare a qualcuno…?

Megattera | © krasivosti.pro
Pacemaker come il cuore di balena

Le balene sono ancora una volta protagoniste dei nostri studi ed in particolare ci attira il loro gigantesco cuore. Il muscolo cardiaco della Megattera in particolare riesce a pompare nel corpo dell’animale un quantitativo di sangue pari a tre vasche da bagno e lo fa con un ritmo sconcertante…ovvero battendo solo tre volte al minuto. Questo è possibile perché i segnali che inducono il cuore a contrarsi sono trasmessi da un sistema nervoso molto sofisticato che è in grado di propagare gli impulsi attraverso la massa di grasso. Molti ricercatori lavorano a versioni più evolute di pacemaker che, sullo stesso sistema di cablaggio della megattera, saranno alimentati da impulsi nervosi invece che da batterie.

Rana del legno (Rana sylvatica) | © Royal Ontario Museum
Niente più coma diabetico grazie alla Rana del legno

Quando il freddo diventa così intenso da portare molti animali a migrare o ad entrare in letargo, la Rana del legno sceglie una strategia molto più estrema: si congela. L’ibernazione permette alla rana di superare il lungo inverno artico in cui per molti mesi la temperatura non sale sopra lo 0. Molti suoi cugini, diverse specie di rospo, si rifugiano sottoterra per sfruttare il potere isolante del terreno e della neve, ma la Rana del legno li supera di gran lunga. Con i primi freddi, infatti, sceglie una postazione adatta tra foglie umide in decomposizione, così da mantenersi idratata fino all’arrivo del gelo; durante questa attesa la rana è tutt’altro che passiva poiché produce grandi quantità di glucosio da stoccare in ogni cellula del suo corpo. Perché? Perché il glucosio funge da perfetto antigelo innalzando la concentrazione dei soluti disciolti nel citoplasma delle cellule e, quindi, abbassando di molto il punto di congelamento. Sebbene tutti i vertebrati abbiano il glucosio che gli scorre nel sangue, la concentrazione tollerata dall’organismo delle Rane del legno è fino a 100 volte superiore poiché stoccata nelle singole cellule. L’effetto finale è il congelamento della sola acqua extracellulare contenuta nel corpo, bloccando il funzionamento di tutti gli organi senza danneggiare le singole cellule dei tessuti. Perché tanto interesse verso questo anfibio? Le principali risposte, ma non le uniche, sono due: nel primo caso si studia l’impressionante tolleranza della specie allo zucchero per poter trovare soluzioni utili ad evitare il coma diabetico; nel secondo si cercano applicazioni per delle nuove modalità di conservazione degli organi e, chissà, un giorno persino di interi organismi.

Tardigrado | © Steve Gschmeissner – Science Photo Library
Vaccini stabili e resistenti come i Tardigradi

Anche altri organismi riescono a sospendere le loro funzioni vitali per resistere a temperature estreme o condizioni difficili. Tra questi i Tardigradi sono forse gli animali più sorprendenti, in grado di effettuare una criptobiosi, ovvero una stasi totale, simile alla morte, che può durare anche mesi o anni. Il record registrato in laboratorio è di 8 anni, ma non è la notizia più eccezionale legata a questi microscopici organismi. Un esperimento compiuto nel 2007, nel corso del quale dei tardigradi sono sopravvissuti incolumi ad un viaggio nello spazio, in cellette aperte verso il vuoto, ha portato alcuni scienziati ad ipotizzare addirittura una loro possibile origine extraterrestre. Anche senza considerare lo spazio, la diffusione di questi organismi è impressionante, poiché non vi è luogo in tutto il globo terrestre in cui non siano stati ritrovati: dalle zone polari a quelle tropicali, dall’Himalaya fino a migliaia di metri di profondità negli oceani. Questo “orsetto d’acqua”, appellativo ottenuto per il suo aspetto (osservato al microscopio), è in grado di disidratarsi completamente e sostituire l’elemento liquido con uno zucchero che si diffonde in ogni cellula, bloccando le funzioni vitali; se immerso nuovamente in acqua il tardigrado risorge senza alcun danno in qualche ora, o addirittura in pochi minuti. Gli scienziati sono interessati ad applicare questa strategia ai principi attivi che compongono i vaccini per poterli conservare senza doverli refrigerare. Il metodo, chiamato “tecnologia liquida stabile”, stabilizzando i vaccini e rendendoli resistenti al calore, permetterebbe un più facile trasporto ed una conservazione meno difficoltosa persino in Paesi dove il clima e le attrezzature mediche ne limitano l’impiego. Abbiamo tanto da imparare da questi microrganismi apparentemente invincibili; magari i prossimi studi si concentreranno sulla loro capacità di sopravvivere a temperature che vanno dallo zero assoluto (-273,15°C) ai 150°C, così come resistono a pressioni elevate e ad una quantità di raggi X superiore di 1000 volte a quella sopportata da qualunque mammifero. Non male per un orsetto d’acqua, che dite?

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2 pensieri su “La Biomimetica in campo medico

  1. Alessandro dice:

    Ciao Marianna, è bello sapere che la natura può essere una fonte d’ispirazione anche in campo medico. Dalla colla chirurgica, passando dal pacemaker, fino alla conservazione dei vaccini, gli esempi che hai trovato sono molto interessanti. Per ognuno hai fatto una bella spiegazione, grazie.

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