I biofisici hanno sviluppato un metodo per modificare la superficie di micro e nanoparticelle, minuscole strutture che misurano tra un millesimo e un milionesimo di millimetro, ricoprendole con molecole biologiche. Progettato in questo modo, le particelle possono servire sia come agenti terapeutici che diagnostici, somministrare farmaci alle cellule tumorali.

Il documento è stato pubblicato sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS . I suoi autori sono ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT), l'Istituto di Chimica Bioorganica dell'Accademia Russa delle Scienze (IBCh RAS), National Research Nuclear University MEPhI, Università Sechenov, e Macquarie University (Australia).

Intorno al 1900, Paul Ehrlich, il vincitore del Premio Nobel 1908 per la fisiologia o la medicina, farmaci previsti che avrebbero un componente che riconosce i patogeni nel corpo e un altro componente che agisce sul bersaglio. Generalmente, tali farmaci prendono di mira i recettori sulla superficie delle cellule danneggiate. Questi recettori consentono anche all'agente di riconoscere la cellula. Un sistema universale di questo tipo può essere utilizzato per la diagnostica, terapia, o entrambi. Quando terapia e diagnostica sono combinate, questo è noto come teranostica.

Realizzare un sistema che incorpori una componente terapeutica e una diagnostica, è necessaria una "colla molecolare" per tenere insieme le due parti. Questa colla può essere realizzata come proteine ​​in grado di formare un complesso stabile legandosi tra loro. Uno dei complessi più stabili di questo tipo è la coppia proteica barnase-barstar. Esiste un valore noto come costante di legame che caratterizza la forza con cui le molecole di un complesso sono accoppiate. La costante di legame del complesso barnase-barstar è 1, da 000 a 1 milione di volte superiori a quelli dei complessi antigene-anticorpo, che sono alla base della nostra risposta immunitaria.

Barnase e barstar possono essere utilizzati per progettare vari moduli funzionali per la teranostica. Per esempio, barnase può essere legato ad agenti terapeutici:anticorpi, droghe, molecole fluorescenti, ecc., mentre barstar può essere fuso con un agente di mira. Questo concetto è stato suggerito da Sergey Deyev, il responsabile del Laboratorio di Immunologia Molecolare di IBCh RAS. I due moduli vengono quindi combinati, formando un composto bifunzionale, che ha proprietà terapeutiche e diagnostiche, e consente la somministrazione mirata di farmaci. Fondendo barnase e barstar con varie molecole terapeutiche e diagnostiche, i ricercatori possono sviluppare una gamma di agenti teranostici basati sullo stesso principio. Queste strutture molecolari possono essere trasportate sulla superficie di nano o microparticelle. Le particelle stesse possono avere proprietà ausiliarie, compresa la fluorescenza o la capacità di essere distrutta se esposta a radiazioni, uccidendo le cellule nocive circostanti, come le cellule cancerose. Decine di strutture molecolari di diverso tipo possono depositarsi su una minuscola particella, potenzialmente aumentando i suoi effetti terapeutici.

Kit di assemblaggio molecolare

L'idea di utilizzare nano e microparticelle per somministrare farmaci è oggetto di ricerca attiva in molti laboratori. I ricercatori russi e australiani hanno sviluppato un agente teranostico a base di nanoparticelle utilizzando il complesso proteico barnase-barstar e ne hanno studiato le proprietà.

"La maggior parte dei metodi attualmente utilizzati per accoppiare chimicamente le biomolecole alle nanoparticelle presenta gravi difetti, ", afferma l'autrice principale Victoria Shipunova, ricercatore presso il Laboratorio di nanobiotecnologie del MIPT e ricercatore senior presso il Laboratorio di immunologia molecolare dell'Istituto di chimica bioorganica. "L'orientamento spaziale delle biomolecole è scarsamente controllato, e incontrano problemi quando si legano ai loro obiettivi. La densità delle molecole accoppiate è piuttosto bassa, e la procedura richiede tempo."

"Abbiamo sviluppato un metodo basato sulla coppia proteica barnase-barstar che non altera la struttura spaziale delle molecole bersaglio. Due ulteriori vantaggi sono la sua elevata specificità e il rapido accoppiamento:bastano pochi minuti perché tutti i moduli si leghino, " spiega.

I ricercatori hanno utilizzato particelle rivestite di biossido di silicio come vettori per il loro complesso molecolare. I bersagli primari delle biostrutture descritte nel documento sono le cellule cancerose, identificabili dall'oncomarker HER2/neu sulla loro superficie, mostrato come una escrescenza rossa nella figura 2. HER2/neu è una proteina responsabile della crescita e della divisione cellulare e presente nelle cellule sane. Nelle cellule tumorali, però, questa proteina è in eccesso o sovraespressa, consentendo loro di crescere e dividersi in modo incontrollabile.

I ricercatori hanno utilizzato una molecola della classe delle proteine ​​ripetute dell'anchirina progettate, o DARPin, come agente bersaglio che riconosce la proteina HER2/neu. Mostrate come strutture a forma di campanula azzurra nelle figure 1 e 2, Le DARPine sono proteine ​​piccole e altamente stabili in grado di legarsi selettivamente alla molecola bersaglio. Oltre a una molecola DARPin, che riconosce le cellule cancerose, la struttura deve incorporare una molecola in grado di legarsi alla superficie della particella portatrice, cioè al biossido di silicio. Per questo, i ricercatori hanno utilizzato un peptide legante il biossido di silicio ottenuto mediante progettazione razionale presso la Macquarie University. Di conseguenza, hanno creato la seguente struttura:una nano o microparticella è rivestita con biossido di silicio, a cui è attaccato il modulo barnase-DARPin tramite il peptide legante il biossido di silicio fuso con barstar (figura 1). È importante sottolineare che ciascuno degli elementi coinvolti può essere alterato o addirittura sostituito, modificando le proprietà della struttura complessiva. In un modo, è simile a un kit molecolare di mattoncini, che può essere assemblato in molti modi, produrre diversi agenti terapeutici.

In effetti, i ricercatori hanno creato un metodo di assemblaggio universale, che permette di combinare facilmente una serie di molecole con potenziale terapeutico e diagnostico, preservandone la struttura spaziale e le proprietà.