Rappresentazione di un semplice cancello "SI". Le barre grigie e arancioni rappresentano l'intero cancello, che si collega ai polimeri che tengono insieme l'idrogel (linee ondulate nere e viola). Il cancello si aprirà - rilasciando il contenuto dell'idrogel - solo se è presente un meccanismo di attivazione specifico (etichettato con "A") e fende la parte arancione del cancello. Credito:Cole DeForest/Università di Washington
I trattamenti farmacologici possono salvare vite umane, ma a volte comportano anche costi non previsti. Dopotutto, le stesse terapie che colpiscono agenti patogeni e tumori possono anche danneggiare le cellule sane.
Per ridurre questo danno collaterale, gli scienziati hanno cercato a lungo la specificità nei sistemi di somministrazione dei farmaci:un pacchetto che può racchiudere una terapia e non disperderà il suo carico tossico fino a quando non raggiunge il sito del trattamento, che si tratti di un tumore, un organo malato o un sito di infezione.
In un articolo pubblicato il 15 gennaio sulla rivista Chimica della natura , gli scienziati dell'Università di Washington hanno annunciato di aver costruito e testato un nuovo sistema di consegna a base di biomateriali, noto come idrogel, che racchiuderà un carico desiderato e si dissolverà per rilasciare il suo carico solo quando vengono soddisfatte specifiche condizioni fisiologiche. Questi segnali ambientali potrebbero includere la presenza di un enzima o anche le condizioni acide che potrebbero essere trovate in un microambiente tumorale. criticamente, i trigger che causano la dissoluzione dell'idrogel possono essere facilmente eliminati nel processo di sintesi, consentendo ai ricercatori di creare molti pacchetti diversi che si aprono in risposta a combinazioni uniche di segnali ambientali.
Il gruppo, guidato dall'assistente professore di ingegneria chimica della UW Cole DeForest, ha progettato questo idrogel utilizzando gli stessi principi alla base di semplici affermazioni logiche matematiche, quelli alla base dei comandi di programmazione di base nell'informatica.
"La strategia modulare che abbiamo sviluppato consente ai biomateriali di agire come computer autonomi, " ha detto DeForest, che è anche membro dell'Institute for Stem Cell &Regenerative Medicine e del Molecular Engineering &Sciences Institute. "Questi idrogel possono essere programmati per eseguire calcoli complessi basati su input forniti esclusivamente dal loro ambiente locale. Tali operazioni avanzate basate sulla logica non hanno precedenti, e dovrebbe fornire nuove entusiasmanti direzioni nella medicina di precisione".
Rappresentazione di una porta "AND", che è aperto solo quando trigger separati (A e B) tagliano entrambe le regioni verde e viola del cancello, rispettivamente. A destra è la struttura chimica di una specifica porta "AND". La regione mostrata in verde è un breve peptide che può essere scisso dall'enzima MMP associato al tumore. La regione viola è un gruppo chimico sintetico chiamato estere orto-nitrobenzilico (oNB), che può essere tagliato dalla luce focalizzata. Credito:Università di Washington
Gli idrogel sono più del 90% di acqua; il resto è costituito da reti di polimeri biochimici. Gli idrogel possono essere progettati per trasportare una varietà di terapie, come i prodotti farmaceutici, cellule speciali o molecole di segnalazione, per scopi che includono la somministrazione di farmaci o persino l'ingegneria tissutale 3D per il trapianto nei pazienti.
La chiave dell'innovazione del team risiede nel modo in cui sono stati sintetizzati gli idrogel. Quando i ricercatori hanno assemblato la rete polimerica che comprende il biomateriale, hanno incorporato cancelli chimici "cross-link" progettati per aprire e rilasciare il contenuto dell'idrogel in risposta a segnali specificati dall'utente, proprio come i cancelli chiusi in una recinzione risponderanno solo, " o aprire con un set di chiavi specifico.
"Le nostre 'porte' sono costituite da catene chimiche che potrebbero, ad esempio, essere scisse solo da un enzima prodotto unicamente in alcuni tessuti del corpo, o essere aperte solo in risposta a una particolare temperatura o condizioni acide specifiche, " ha detto DeForest. "Con questa specificità, ci siamo resi conto che più in generale potevamo progettare idrogel con porte che si sarebbero aperte se solo fossero state soddisfatte determinate condizioni chimiche o affermazioni logiche".
DeForest e il suo team hanno costruito queste porte di idrogel utilizzando semplici principi della logica booleana, che si concentra sugli input di semplici comandi binari:"YES, " "AND" o "OR." I ricercatori hanno iniziato costruendo tre tipi di idrogel, ciascuno con un diverso cancello "SI". Avrebbero aperto e rilasciato solo il loro carico di prova - molecole di colorante fluorescente - in risposta al loro specifico segnale ambientale.
Da sinistra a destra:Barry Badeau, Christopher Arakawa, Jared Shadish, Cole DeForest. Credito:Dennis Wise/Università di Washington
One of the "YES" gates they designed is a short peptide—one of the constituent parts of cellular proteins. This peptide gate can be cleaved by an enzyme known as matrix metalloprotease (MMP). If MMP is absent, the gate and hydrogel remain intact. But if the enzyme is present in a cell or tissue, then MMP will slice the peptide gate and the hydrogel will burst open, releasing its contents. A second "YES" gate that the researchers designed consists of a synthetic chemical group called an ortho-nitrobenzyl ester (oNB). This chemical gate is immune to MMP, but it can be cleaved by light. A third "YES" gate contains a disulfide bond, which breaks upon reaction with chemical reductants but not in response to light or MMP. A hydrogel containing one of these types of "YES" gates is essentially "programmed" to respond to its physiological surroundings using the Boolean logic of its cross-link gate. A hydrogel with an oNB gate, Per esempio, will open and release its contents in the presence of light, but not any of the other cues like the MMP enzyme or a chemically reductive environment.
They also created and tested hydrogels with multiple types of "YES" gates, essentially creating hydrogels with gates that would open and release their cargo in response to multiple combinations of environmental cues, not just one cue:light AND enzyme; reductant OR light; enzyme AND light AND reductant. Hydrogels with these more complex types of gates could still carry cargo, either fluorescent dyes or living cells, and release it only in response to the particular gate's unique combination of environmental triggers.
The team even tested how well a hydrogel with an "AND" gate—reductant and the enzyme MMP—could ferry the chemotherapy drug doxorubicin. The doxorubicin-containing hydrogel was mixed with cultures of tumor-derived HeLa cells, which doxorubicin should kill easily. But the hydrogel remained intact, and the HeLa cancer cells remained alive unless the researchers added both triggers for the "AND" gate:MMP and reductant. One cue alone was insufficient to cause HeLa cell demise.
DeForest and his team are building on these results to pursue even more complex gates. Dopotutto, specificity is the goal, both in medicine and tissue engineering.
"Our hope is that, by applying Boolean principles to hydrogel design, we can create a class of truly smart therapeutic delivery systems and tissue engineering tools with ever-greater specificity for organs, tissues or even disease states such as tumor environments, " said DeForest. "Using these design principles, the only limits could be our imagination."
