I chimici del MIT hanno escogitato un modo per sintetizzare polimeri che possono degradarsi più facilmente nel corpo e nell'ambiente.

Una reazione chimica chiamata polimerizzazione per metatesi con apertura dell'anello, o ROMP, è utile per costruire nuovi polimeri per vari usi come la nanofabbricazione, resine ad alte prestazioni, e consegnare farmaci o agenti di imaging. Però, uno svantaggio di questo metodo di sintesi è che i polimeri risultanti non si decompongono naturalmente in ambienti naturali, come all'interno del corpo.

Il team di ricerca del MIT ha escogitato un modo per rendere questi polimeri più degradabili aggiungendo un nuovo tipo di elemento costitutivo alla struttura portante del polimero. Questo nuovo blocco di costruzione, o monomero, forma legami chimici che possono essere scissi da acidi deboli, basi, e ioni come il fluoro.

"Riteniamo che questo sia il primo modo generale per produrre polimeri ROMP con facile degradabilità in condizioni biologicamente rilevanti, "dice Geremia Johnson, professore associato di chimica al MIT e autore senior dello studio. "La parte bella è che funziona utilizzando il flusso di lavoro ROMP standard; devi solo spruzzare il nuovo monomero, rendendolo molto conveniente."

Questo blocco costitutivo potrebbe essere incorporato nei polimeri per un'ampia varietà di usi, comprese non solo applicazioni mediche ma anche sintesi di polimeri industriali che si decompongono più rapidamente dopo l'uso, dicono i ricercatori.

L'autore principale del documento, che appare in Chimica della natura oggi, è il postdoc del MIT Peyton Shieh. Anche il postdoc Hung VanThanh Nguyen è un autore dello studio.

Polimerizzazione potente

Gli elementi costitutivi più comuni dei polimeri generati da ROMP sono molecole chiamate norborneni, che contengono una struttura ad anello che può essere facilmente aperta e unita per formare polimeri. Molecole come farmaci o agenti di imaging possono essere aggiunti ai norborneni prima che avvenga la polimerizzazione.

Il laboratorio di Johnson ha utilizzato questo approccio di sintesi per creare polimeri con molte strutture diverse, compresi i polimeri lineari, polimeri per scovolini, e polimeri a forma di stella. Questi nuovi materiali potrebbero essere utilizzati per somministrare molti farmaci antitumorali contemporaneamente, o trasportare agenti di imaging per la risonanza magnetica (MRI) e altri tipi di imaging.

"È una reazione di polimerizzazione molto robusta e potente, " Johnson dice. "Ma uno dei grandi svantaggi è che la spina dorsale dei polimeri prodotti è costituita interamente da legami carbonio-carbonio, e come risultato, i polimeri non sono facilmente degradabili. È sempre stato qualcosa che abbiamo tenuto in mente quando pensavamo di produrre polimeri per lo spazio dei biomateriali".

Per aggirare tale problema, Il laboratorio di Johnson si è concentrato sullo sviluppo di piccoli polimeri, dell'ordine di circa 10 nanometri di diametro, che potrebbe essere eliminato dal corpo più facilmente rispetto alle particelle più grandi. Altri chimici hanno cercato di rendere degradabili i polimeri utilizzando blocchi di costruzione diversi dai norborneni, ma questi elementi costitutivi non polimerizzano in modo altrettanto efficiente. È anche più difficile legarvi farmaci o altre molecole, e spesso richiedono condizioni difficili per degradarsi.

"Preferiamo continuare a utilizzare il norbornene come molecola che ci consente di polimerizzare questi complessi monomeri, " Johnson dice. "Il sogno è stato quello di identificare un altro tipo di monomero e aggiungerlo come co-monomero in una polimerizzazione che già utilizza il norbornene".

I ricercatori hanno trovato una possibile soluzione attraverso il lavoro che Shieh stava svolgendo su un altro progetto. Stava cercando nuovi modi per innescare il rilascio di farmaci dai polimeri, quando ha sintetizzato una molecola contenente un anello che è simile al norbornene ma contiene un legame ossigeno-silicio-ossigeno. I ricercatori hanno scoperto che questo tipo di anello, chiamato etere sililico, può anche essere aperto e polimerizzato con la reazione ROMP, portando a polimeri con legami ossigeno-silicio-ossigeno che si degradano più facilmente. Così, invece di usarlo per il rilascio di farmaci, i ricercatori hanno deciso di provare a incorporarlo nella struttura polimerica per renderlo degradabile.

Hanno scoperto che semplicemente aggiungendo il monomero silil-etere in un rapporto 1:1 con monomeri di norbornene, potrebbero creare strutture polimeriche simili a quelle che hanno realizzato in precedenza, con il nuovo monomero incorporato in modo abbastanza uniforme in tutta la spina dorsale. Ma ora, se esposto a un pH leggermente acido, intorno a 6,5, la catena polimerica inizia a rompersi.

"È abbastanza semplice, " Johnson dice. "È un monomero che possiamo aggiungere ai polimeri ampiamente utilizzati per renderli degradabili. Ma per quanto sia semplice, esempi di un tale approccio sono sorprendentemente rari".

Ripartizione più rapida

Nei test sui topi, i ricercatori hanno scoperto che durante la prima o due settimane, i polimeri degradabili hanno mostrato la stessa distribuzione attraverso il corpo dei polimeri originali, ma hanno cominciato a rompersi subito dopo. Dopo sei settimane, le concentrazioni dei nuovi polimeri nel corpo erano tra le tre e le 10 volte inferiori alle concentrazioni dei polimeri originali, a seconda dell'esatta composizione chimica dei monomeri silil-etere utilizzati dai ricercatori.

I risultati suggeriscono che l'aggiunta di questo monomero ai polimeri per la somministrazione di farmaci o l'imaging potrebbe aiutarli a liberarsi dal corpo più rapidamente.

"Siamo entusiasti della prospettiva di utilizzare questa tecnologia per mettere a punto con precisione la scomposizione dei polimeri a base di ROMP nei tessuti biologici, che riteniamo possa essere sfruttato per controllare la biodistribuzione, cinetica di rilascio del farmaco, e molte altre caratteristiche, " dice Johnson.

I ricercatori hanno anche iniziato a lavorare sull'aggiunta dei nuovi monomeri alle resine industriali, come plastica o adesivi. Ritengono che sarebbe economicamente fattibile incorporare questi monomeri nei processi di produzione dei polimeri industriali, per renderli più degradabili, e stanno lavorando con Millipore-Sigma per commercializzare questa famiglia di monomeri e renderli disponibili per la ricerca.