Gli ingegneri del MIT hanno inventato un nuovo metodo di fabbricazione 3D in grado di generare un nuovo tipo di particella portatrice di farmaci che potrebbe consentire la somministrazione di più dosi di un farmaco o di un vaccino per un lungo periodo di tempo con una sola iniezione.

Le nuove microparticelle assomigliano a minuscole tazzine da caffè che possono essere riempite con un farmaco o un vaccino e quindi sigillate con un coperchio. Le particelle sono costituite da un biocompatibile, Polimero approvato dalla FDA che può essere progettato per degradarsi in momenti specifici, rovesciando il contenuto della "tazza".

"Siamo molto entusiasti di questo lavoro perché, per la prima volta, possiamo creare una libreria di piccoli, particelle di vaccino racchiuse, ciascuno programmato per rilasciare a un preciso, tempo prevedibile, in modo che le persone possano potenzialmente ricevere una singola iniezione che, in effetti, avrebbe già più booster integrati. Ciò potrebbe avere un impatto significativo sui pazienti di tutto il mondo, soprattutto nei paesi in via di sviluppo dove la compliance del paziente è particolarmente scarsa, "dice Robert Langer, il David H. Koch Institute Professor al MIT.

Langer e Ana Jaklenec, ricercatore presso il Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT, sono gli autori senior del documento, che appare online in Scienza il 14 settembre. Gli autori principali del documento sono il postdoc Kevin McHugh e l'ex postdoc Thanh D. Nguyen, ora assistente professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Connecticut.

Coppe sigillate

Il laboratorio di Langer ha iniziato a lavorare sulle nuove particelle di somministrazione di farmaci come parte di un progetto finanziato dalla Fondazione Bill e Melinda Gates, che stava cercando un modo per somministrare più dosi di un vaccino in un determinato periodo di tempo con una sola iniezione. Ciò potrebbe consentire ai bambini nei paesi in via di sviluppo, che potrebbe non vedere un dottore molto spesso, ottenere un'iniezione dopo la nascita che fornisse tutti i vaccini di cui avrebbero bisogno durante i primi uno o due anni di vita.

Langer ha precedentemente sviluppato particelle polimeriche con farmaci incorporati in tutta la particella, permettendo loro di essere rilasciati gradualmente nel tempo. Però, per questo progetto, i ricercatori volevano trovare un modo per somministrare brevi raffiche di un farmaco a intervalli di tempo specifici, per imitare il modo in cui verrebbero somministrati una serie di vaccini.

Per raggiungere il loro obiettivo, hanno deciso di sviluppare una tazza polimerica sigillabile in PLGA, un polimero biocompatibile che è già stato approvato per l'uso in dispositivi medici come impianti, suture, e dispositivi protesici. Il PLGA può anche essere progettato per degradarsi a velocità diverse, consentendo la fabbricazione di più particelle che rilasciano il loro contenuto in momenti diversi.

Le tecniche di stampa 3D convenzionali si sono rivelate inadatte al materiale e alle dimensioni che i ricercatori volevano, quindi hanno dovuto inventare un nuovo modo di fabbricare le tazze, traendo ispirazione dalla produzione di chip per computer.

Usando la fotolitografia, crearono stampi in silicone per tazze e coperchi. Grandi matrici di circa 2, 000 stampi vengono inseriti su un vetrino, e questi stampi vengono utilizzati per modellare le tazze PLGA (cubi con lunghezze dei bordi di poche centinaia di micron) e i coperchi. Una volta formata la schiera di coppe in polimero, i ricercatori hanno impiegato un su misura, sistema di erogazione automatizzato per riempire ogni tazza con un farmaco o un vaccino. Dopo che le tazze sono state riempite, i coperchi vengono allineati e abbassati su ogni tazza, e il sistema viene riscaldato leggermente fino a quando la tazza e il coperchio si fondono insieme, sigillando il farmaco all'interno.

"Ogni strato viene prima fabbricato da solo, e poi sono assemblati insieme, " dice Jaklenec. "Parte della novità sta proprio nel modo in cui allineiamo e sigilliamo gli strati. In tal modo abbiamo sviluppato un nuovo metodo in grado di creare strutture che gli attuali metodi di stampa 3D non possono. Questo nuovo metodo chiamato SEAL (StampEd Assembly of Polymer Layers) può essere utilizzato con qualsiasi materiale termoplastico e consente la fabbricazione di microstrutture con geometrie complesse che potrebbero avere ampie applicazioni, compresa la somministrazione pulsatile iniettabile di farmaci, sensori di pH, e dispositivi microfluidici 3-D."

Consegna a lungo termine

Il peso molecolare del polimero PLGA e la struttura della "spina dorsale" delle molecole polimeriche determinano la velocità con cui le particelle si degraderanno dopo l'iniezione. Il tasso di degradazione determina quando il farmaco verrà rilasciato. Iniettando molte particelle che si degradano a velocità diverse, i ricercatori possono generare una forte esplosione di farmaci o vaccini in momenti predeterminati. "Nel mondo in via di sviluppo, questa potrebbe essere la differenza tra non farsi vaccinare e ricevere tutti i vaccini in un colpo solo, " dice McHugh.

Nei topi, i ricercatori hanno dimostrato che le particelle si liberano in raffiche brusche, senza perdite precedenti, alle 9, 20, e 41 giorni dopo l'iniezione. Hanno quindi testato particelle piene di ovalbumina, una proteina presente negli albumi d'uovo comunemente utilizzata per stimolare sperimentalmente una risposta immunitaria. Utilizzando una combinazione di particelle che hanno rilasciato ovalbumina a 9 e 41 giorni dopo l'iniezione, hanno scoperto che una singola iniezione di queste particelle era in grado di indurre una forte risposta immunitaria paragonabile a quella provocata da due iniezioni convenzionali con il doppio della dose.

I ricercatori hanno anche progettato particelle che possono degradarsi e rilasciare centinaia di giorni dopo l'iniezione. Una sfida per lo sviluppo di vaccini a lungo termine basati su tali particelle, dicono i ricercatori, sta assicurandosi che il farmaco o il vaccino incapsulato rimanga stabile alla temperatura corporea per un lungo periodo prima di essere rilasciato. Ora stanno testando queste particelle di consegna con una varietà di farmaci, compresi i vaccini esistenti, come il vaccino antipolio inattivato, e nuovi vaccini ancora in fase di sviluppo. Stanno anche lavorando a strategie per stabilizzare i vaccini.

"La tecnica SEAL potrebbe fornire una nuova piattaforma in grado di creare quasi tutti i piccoli, oggetto riempibile con quasi tutti i materiali, che potrebbe fornire opportunità senza precedenti nella produzione in medicina e in altri settori, " dice Langer. Queste particelle potrebbero essere utili anche per somministrare farmaci che devono essere somministrati regolarmente, come colpi di allergia, per ridurre al minimo il numero di iniezioni.