Nanoceria: Terre Rare in medicina

Giovanna Serenelli | 29/11/2011 13:41

Il vertiginoso sviluppo delle nanoscienze e delle nanotecnologie utilizza oggi per le loro impensabili proprietà nanomateriali della più disparata natura. Tra questi particolarmente interessanti per le molteplici possibilià applicative, in vista di un nuovo tipo di sviluppo  ad alta resa energetica e  possibilmente a minor impatto ambientale, sono le terre rare  la cui disponibilità è critica nelle strategie di sviluppo degli stati. La medicina, nella corsa globale verso il nuovo e diffuso uso di questi materiali,  non fa eccezione, partecipa anzi attivamente nelle ricerche e nello sviluppo di nuove applicazioni diagnostiche e terapeutiche basate sull’uso delle terre rare.

Una breve introduzione sulle nanoscienze, le nanotecnologie ed il loro interesse in campo biomedico può essere reperita in: G. Serenelli ‘Nanoscienze, nanotecnologie e nanomedicina. La rivoluzione tecnologica del XXI secolo’ al link: http://www.riflessioni.it/scienze/nanoscienze-nanotecnologie-nanomedicina.htm

Le Terre Rare sono un gruppo di 17 elementi chimici: scandio, ittrio e lantanidi, oggi lantanoidi ,compresi, nella tavola periodica tra lantanio e lutezio.In questi elementi è particolare la struttura atomica. Gli orbitali f, conferiscono proprietà ottiche (ad es. la luminescenza) e magnetiche peculiari, di grande interesse, alle Terre Rare, soprattutto perché gli orbitali 4f, totalmente o parzialmente riempiti, sono interni e difficilmente ionizzabili. Tra gli altri quindici lantanidi, il Cerio promette utili applicazioni nelle scienze biomediche.Il Cerio (Ce) è un lantanoide con numero atomico 58, un elemento metallico di colore argenteo, simile al ferro di cui è molto più tenero, duttile e malleabile e che si ossida rapidamente quando esposto all’aria . Nella crosta terrestre è il lantanoide più rappresentato (49 ppm). Dal punto di vista commerciale per la sua estrazione sono importanti i giacimenti di monazite e di bastnaesite situati in territorio cinese. E’ di fatto la Cina che detiene il monopolio mondiale della produzione di Cerio, oltre che delle altre Terre Rare e che ne ha attualmente bloccato la produzione onde evitarne la caduta di prezzo. Non ancora operativi sono i giacimenti scoperti negli Stati Uniti in Australia ed in Russia [1].

La struttura atomica del Cerio, che deve il suo nome a Ceres, è un po’ diversa da quella delle altre Terre Rare poiché, il suo orbitale 4f è particolarmente vicino agli orbitali più esterni, consentendogli caratteristiche chimiche variabili. Se compresso o raffreddato cambia il suo stato di ossidazione da +3 a +4. Nel primo caso si parla di stato ceroso [Ce(III)] nel secondo di stato cerico [Ce (IV)]. I sali cerosi sono usualmente bianchi mentre gli altri sono giallastri o rosso-arancioni. Se puro può facilmente incendiarsi quando esposto all’aria a temperature di 65-80°C o quando graffiato. Fortemente riducente, è esplosivo se reagisce con lo zinco, innesca forti reazioni esotermiche in caso di reazione con bismuto o antimonio. Non si spegne con l’acqua perché con essa reagisce sprigionando idrogeno altamente infiammabile. Moderatamente tossico, sono tossici anche i suoi fumi.

Almeno due delle caratteristiche della struttura atomica del Cerio, specie in forma nanoparticellare1, sono essenziali per spiegarne le molteplici proprietà e le altrettanto molteplici possibilità d’uso: la prima riguarda i già citati orbitali 4f, la seconda è la vacanza di Ossigeno alla superficie delle nano particelle. Le vacanze di ossigeno2 presenti sulle superfici delle nanoparticelle le rendono di fatto uniche [2] come catalizzatori ed autocatalizzatori, in grado di passare reversibilmente da uno stato completamente ridotto ad uno completamente ossidato (Ce3+ <> Ce4+) e ben spiegano perché al Cerio siano attribuibili, in apparente contraddizione, sia capacità ossidanti che riducenti. L’uso industriale è ampio. In metallurgia serve alla produzione di leghe di alluminio, e di alcuni tipi di acciaio, alla produzione di ghisa malleabile, a rendere le leghe di magnesio più resistenti al calore. Viene anche usato per produrre leghe per magneti permanenti o leghe piroforiche (le pietrine degli accendisigari). L’industria cinematografica lo usa nelle lampade ad arco voltaico. Ottimo ossidante lo ritroviamo nella produzione del vetro come componente, come decolorante o più semplicemente come prodotto di pulizia di precisione, lucidatura o rimozione di graffi. Può entrare a far parte degli ingredienti degli smalti colorati e infine, trattandosi di un ottimo catalizzatore, viene diffusamente usato nella fabbricazione delle marmitte cataliche o dei forni autopulenti. Le industrie cosmetiche ne sfruttano le proprietà per la produzione di filtri solari. L’industria tessile lo usa come antifungino. Certo è che nella biologia dell’organismo umano il Cerio non ha alcuna funzione.Tuttavia è proprio l’essere un ossidante ed un catalizzatore che lo hanno reso interessante anche per numerose applicazioni in campo biomedico, in elettrochimica (chimica elettroanalitica) ed in optoelettronica. Sperimentazioni su cellule di mammifero (queste sono le sperimentazioni più frequenti) dimostrano, ad ogni modo, che le nanoparticelle di ossido di Cerio penetrano all’interno delle cellule. Nel caso dei cheratinociti umani normali HaCat l’assunzione avviene per fagocitosi e le nanoparticelle si ritrovano sia nel citoplasma (reticolo endoplasmatico, lisosomi, mitocondri) che nel nucleo. L’ingresso avviene entro 3 ore dall’esposizione ed è un processo energia-dipendente mediato dalla clatrina e dalle caveole [3].

Le nanoparticelle di ossido di Cerio (CeO2) note anche con il nome di nanoceria, oltre che essere capaci di assorbire radiazioni UV (filtri solari) con due picchi di assorbanza a 230-260 nm allo stato ceroso e di 300-400 nm allo stato cerico; sono ottimi catalizzatori in grado di mimare l’attività delle ossidasi biologiche. Le vacanze di ossigeno presenti in superficie, consentono alle nanoparticelle di essere usate come antiossidanti in grado di contrastare i danni ossidativi indotti dalle radiazioni o dai processi infiammatori o ancora essere utilizzate nell’imaging e nella diagnostica di laboratorio (metodi colorimetrici). Nell’immunoassay, ad esempio, permettono, a pH acido, il risparmio di reagenti quali il perossido di idrogeno (H2O2) e la perossidasi di rafano (HRP, horseradish peroxidase) rispetto alle quantità usate nell’ELISA tradizionale [4] con la possibilità di ottenere, grazie alla loro maggior stabilità, una netta riduzione del numero di falsi negativi dovuti all’instabilità dei reagenti ed alla possibile denaturazione o a difetti del legame degli anticorpi utilizzati. Rivestite di folati sono in grado di riconoscere selettivamente i recettori di folati sovraespressi dalle cellule (es. carcinomi mammari, ma la sovraespressione può verificarsi anche nei cancri di ovaie, reni, polmoni, encefalo, colon-retto) [5] e sono perciò utili nel bioimaging (in vitro ed in vivo).

Codrogate con Erbio, Olmio o Tulium, eccitate con lunghezza d’onda di 975nm, danno fluorescenza, rossa, verde o blu rispettivamente evitando il photobleaching, cioè il disturbo di fluorescenza dei fluorofori determinato dalla naturale autofluorescenza tessutale [6]. Usate in elettrochimica le nanoparticelle di Cerio possono trovare utilità non solo per il monitoraggio ambientale o la sicurezza dei luoghi di lavoro, ma anche come transduttori elettrochimici per la fabbricazione di biosensori [7]. Le proprietà antiossidanti sono legate al pH ed alle dimensioni, controllabili, delle nanoparticelle. Si tratta di proprietà che hanno interesse terapeutico per molte malattie degenerative il cui sviluppo ha rapporti stretti con la generazione di radicali liberi, sia che si tratti di ROS che di RNS. Ci si riferisce perciò a malattie degenerative del SNC o a neoplasie nella cui comparsa sono implicati i ROS, o al possibile trattamento dei danni causati dalla terapie radianti sulle cellule normali. Sperimentalmente ad esempio le nanoparticelle di Cerio (<20nm di diametro) sono in grado proteggere sia i neuroni che gli astrociti (colture miste in vitro) dai danni causati da traumi, radiazioni UV o radicali liberi dell’ossigeno e di prolungarne la vita otto volte rispetto a quella usuale [8].Le proprietà antiinfiammatorie delle nanoparticelle di Cerio hanno già evidenze sperimentali. I macrofagi murini stimolati che abbiano internalizzato nanoceria non producono iNOS (inducible nitric oxide ) indispensabile alla generazione del radicale libero NO. Allo stesso tempo non si verificano né fenomeni citotossico/citocidi né induzione di processi apoptotici nelle cellule trattate [9]. Apoptosi viene invece indotta nelle cellule tumorali maligne del polmone [5]. Addirittura le nanoparticelle di Cerio possono essere utili nella fabbricazione di nuovi materiali che favoriscano l’attività proliferativa di cellule staminali in coltura [10] e dunque nella branca della Medicina Rigenerativa. Per converso secondo altri lavori la nanoparticelle di ossido di Cerio (15, 25, 30, 45 nm) causano un incremento di produzione di radicali liberi, un decremento di produzione di GSH, un’attivazione dei geni dello stress ossidativo, un’attivazione della caspasi 3 (apoptosi) in cellule epiteliali polmonari [11]. I risultati sembrano nettamente in contrasto, ma possono dipendere dal differente stato di ossidazione delle nanoparticelle utilizzate nelle sperimentazioni.Va ricordato che le proprietà dei nanomateriali variano, anche per uno stesso materiale, in relazione a molteplici fattori che (solo per citarne alcuni) vanno dalle dimensioni al pH, dall’ambiente in cui si trovano alla loro densità o infine ai valori di potenziale zeta che garantisce la maggiore o minore stabilità colloidale.

Nanoceria rivestite di destrano non danneggiano la proliferazione di cardiomiociti in coltura, tuttavia a pH 4 determinano una tossicità irreversibile sulle cellule che è presumibilmente imputabile all’esaurimento delle loro proprietà autocatalitiche per cui verrebbero a prevalere quelle in stato Ce4+ ossidanti. Caratteristica quest’ultima di grande importanza pratica per la possibilità di ‘avvelenare’ irreversibilmente le cellule neoplastiche che notoriamente sopravvivono in microambienti acidi [12]. La riduzione del rapporto Ce 3+/Ce 4+ è di fatto associata alla perdita dell’ attività SOD mimetica [13]. In topi transgenici MCP-13 hanno effetto protettivo contro la progressione della miocardiopatia ischemica inibendo la progressione della disfunzione ventricolare sinistra e la successiva dilatazione ventricolare [14]. Nulla vieta la coniugazione delle nanoparticelle di Cerio con farmaci. E’ già pronta la tecnologia che permetterebbe nei casi di glaucoma la somministrazione di inibitori dell’hCAII (Human carbonic anhydrase isozyme II) come la carbossi benzen sulfonamide, coniugati con nanoceria in grado di attraversare agevolmente la cornea e di penetrare quindi direttamente all’interno dell’occhio senza causare alcun tipo di irritazione [15]. La loro attività antiossidante le renderebbe utili anche nel trattamento della degenerazione maculare, nella retinite pigmentosa o altre patologie oculari responsabili di cecità, tutte patologie in qualche modo correlate agli effetti dannosi dei radicali liberi. In vivo nel ratto albino hanno effetto protettivo sui fotorecettori permettendo il recupero della funzione retinica dopo danno da radiazioni luminose [16]. Parte dei risultati della sperimentazione in vivo offrono risultati contrastanti. Nei topi iniettati EV con nanoceria non si dimostra tossicità, le particelle sono presenti nei vasi della coda, sede di iniezione, negli epatociti e nelle cellule epiteliali dei tubuli renali; non si riscontrano invece in sede polmonare [9]. L’escrezione avviene per il 95% nelle successive 24 ore dalla somministrazione, anche IP, e gli organi in cui si verifica accumulo sono nell’ordine la milza, il fegato , i polmoni ed il rene [17]. Nel polmone, secondo alcuni lavori, causano fenomeni di embolia. Di fatto l’instillazione endotracheale di nanoparticelle di cerio causa un incremento del numero di polimorfonucleati nel liquido di lavaggio bronco-alveolare a 22 ore dall’applicazione con incremento delle LDH (espressione di morte cellulare) e di proteine totali (espressione di incremento di permeabilità vasale). Per farla breve il quadro è quello di una broncopolmonite lieve o media. Lo stesso quadro si ripropone a 4 settimane dal trattamento con aggiunta di rari granulomi alveolari ed interstiziali [18]. . E’ anche vero che la modalità di preparazione o le dimensioni delle nanoparticelle oltre che il tipo di modello sperimentale scelto non necessariamente danno i medesimi risultati. Nanoparticelle sintetizzate in acqua sono citotossiche, non lo sono invece quelle sintetizzate in destrano o polietilene.Sebbene non oltrepassino la barriera emato-encefalica e se vantino le proprietà antiossidanti, le nanoparticelle di cerio (5nm di diametro), a dosaggi elevati, inducono stress ossidativo nell’ippocampo di ratti in cui si assiste ad un incremento del livello di attività della catalasi.Inducono inoltre in alcuni casi difficoltà di respirazione, essudazione nasale, convulsioni ed emorragie polmonari mortali nel giro di circa 15 minuti, effetti che mancano per nanoparticelle di dimensioni superiori (30nm) [19]. Assai poco noti sono gli effetti sulla proliferazione batterica. Nel caso dell’ E.coli e del B. subtilis le nanoceria, che semplicemente si adsorbono sulle pareti cellulari, ne inibiscono la crescita con inibizione dose dipendente; viene inoltre significativamente modificata l’espressione di circa 150 geni. Gli effetti variano a seconda dei batteri considerati e, al momento non si possono considerare assolutamente come battericide [20]. La scarsità di conoscenze in questo campo non è problema da poco poiché le comunità dei batteri, prescindere da quelli di interesse medico, entrano a far parte, ed in maniera importante, sebbene comunemente sottovalutata, dell’equilibrio degli ecosistemi. Un problema analogo che si ingrana con quello precedente è l’effetto delle nanoceria sugli organismi vegetali. Anche qui le ricerche sono carenti. Nel primo lavoro pubblicato nel marzo del 2010 su questo specifico argomento risultano chiare evidenze che le nanoparticelle di Cerio possono penetrare negli organismi vegetali (ricordiamo l’importanza della catena alimentare…) e ridurre le capacità germinative dei semi anche del 30%. Al tempo stesso le nanoceria inducono un allungamento dei germogli e delle radici rispetto alle lunghezze normali. Gli esperimenti si riferiscono a vegetali diffusamente consumati nel mondo: l’alfalfa (Medicago sativa) importante erba da foraggio, il pomodoro (Lycopersicon esculentum), il mais (Zea mais) ed il cetriolo (Cucumis sativa). I prodotti delle biomasse sono in ogni caso ridotti se il Cerio viene aggiunto ai terreni come solfato [21]. Gli eventuali effetti tossici sugli umani non sono perfettamente noti. I data sheet delle nano particelle di cerio [22] indicano come limiti di esposizione variabili dai 10 ai 15 mg/m3; i rischi peraltro sono riferiti a materiali di dimensione non nanometriche. Nel caso di prolungata esposizione si riferiscono effetti anti-coagulanti con conseguente rischio di emorragie. Certo è che le nanoparticelle possono entrare nell’organismo attraverso numerose vie di accesso (apparato respiratorio, apparato gastro-intestinale, apparato tegumentario penetrando lo stesso strato corneo o scegliendo come via di ingresso i follicoli piliferi. Non è immune nemmeno il sistema nervoso centrale che presenta come punto di ingresso il sistema olfattorio). La tendenza a traslocare dall’organo in cui si sono localizzate è poi dimostrato per alcuni tipi di materiali. In medicina sono ben note le pneumoconiosi e in alcuni casi si potrebbe parlare di pneumoconiosi da Cerio. Tuttavia nei lavoratori (fotoincisori, pulitori di vetri) esposti, per oltre 10 anni, all’accumulo di Cerio nei polmoni con conseguente pneumoconiosi, quest’ultima non può essere accreditata al solo cerio per la commistione di questo con altri materiali [23].

Il problema merita ulteriori approfondimenti.

[1]. Ivan Broadband China's Rare Earth Minerals Supply Manipulation Could Backfire, Hong Kong, October 26, 2011 in:http://www.globalsecurity.org/military/library/news/2011/10/mil-111026-voa07.htm?_m=3n.002a.337.rx0ao01mv2.ay8

[2] C. T. Campbell, C. H. F. Peden ‘Oxigen vacancies and catalysis on Ceria surface’ Science 309 (5735): 713-714, 2005

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[5] X.N. Hu, J.B. Liu, S. Hou, T. Wen, W.Q. Liu, K. Zhang, W.W. He, Y.L. Ji, .H.X. Ren, Q. Wang and X.C. Wu ‘Research progress of nanoparticles as enzyme mimetics’ Sci. China Phys. Mec.Astron. 54 (10): 1749-1756, 2011

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[20] D.A. Pelletier, A. K. Suresh, G.A. Holton, C. K. McKeown, W. Wang, B. Gu, N.P. Mortensen, D.P. Allison, D.C. Joy, M.R.Allison, S. D. Brown, T.J. Phelps and M. J. Doktycz ‘Effects of engineered cerium oxide nano particles on bacterial growth and viability’ Appl. Environ. Biol. 76 (24): 7981-7989, 2010

[21] M. L.Lòpez-Moreno, G. de la Rosa, J. A. Hernàndez-Viezcas, J. R. Peralta-Videa and J. L.Gardea-Torresdey ‘XAS corroboration of the uptake and storage of CeO2 nanoparticles and assessment of their differential toxicity in four edible plant species’ J. Agric. Food Chem. 58 (6):3689-3693, 2010

[22] Vive Nano Inc. Canada, Vive Nano Ceria, Material Safety Data Sheet, Revision Date May 12,2010

[23] J. C. Pairon, F. Roos, Y. Iwatsubo, M. A. Billon-Galland, J.Bignon, P. Brochard ’Lung retention of cerium in humans’ Occup. Environ. Med. 51: 195-199, 1994