Le microparticelle offrono un modo promettente per somministrare più dosi di un farmaco o di un vaccino contemporaneamente, perché possono essere progettati per rilasciare il loro carico utile a intervalli specifici. Però, le particelle, che sono circa le dimensioni di un granello di sabbia, possono essere difficili da iniettare perché possono intasarsi in una tipica siringa.

I ricercatori del MIT hanno ora sviluppato un modello computazionale che può aiutarli a migliorare l'iniettabilità di tali microparticelle e prevenire l'intasamento. Il modello analizza diversi fattori, comprese le dimensioni e la forma delle particelle, per determinare un design ottimale per l'iniettabilità.

Utilizzando questo modello, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un aumento di sei volte della percentuale di microparticelle che potevano iniettare con successo. Ora sperano di utilizzare il modello per sviluppare e testare microparticelle che potrebbero essere utilizzate per fornire farmaci per l'immunoterapia del cancro, tra le altre potenziali applicazioni.

"Questa è una struttura che può aiutarci con alcune delle tecnologie che abbiamo sviluppato in laboratorio e che stiamo cercando di inserire nella clinica, "dice Ana Jaklenec, ricercatore presso il Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT.

Jaklenec e Robert Langer, il David H. Koch Institute Professor al MIT, sono gli autori senior dello studio, che appare oggi in Progressi scientifici . L'autore principale del documento è lo studente laureato del MIT Morteza Sarmadi.

Modello di microparticelle

Le microparticelle hanno dimensioni da 1 a 1, 000 micron (milionesimi di metro). Molti ricercatori stanno lavorando sull'utilizzo di microparticelle fatte di polimeri e altri materiali per fornire farmaci, e circa una dozzina di tali formulazioni di farmaci sono state approvate dalla FDA. Però, altri hanno fallito a causa della difficoltà di iniettarli.

"Il problema principale è l'intasamento, da qualche parte nel sistema, che non consente la somministrazione della dose completa, " Dice Jaklenec. "Molti di questi farmaci non superano lo sviluppo a causa delle sfide con l'iniettabilità".

Tali farmaci vengono solitamente iniettati per via endovenosa o sottocutanea. Garantire che questi farmaci raggiungano con successo le loro destinazioni è un passo fondamentale nel processo di sviluppo dei farmaci, ma è uno che spesso viene fatto per ultimo, e può ostacolare un trattamento altrimenti promettente, dice Sarmadi.

"L'iniettabilità è un fattore importante per il successo di un farmaco, ma poca attenzione è stata dedicata al tentativo di migliorare le tecniche di amministrazione, ", dice. "Speriamo che il nostro lavoro possa migliorare la traduzione clinica di nuove e avanzate formulazioni di farmaci a rilascio controllato".

Langer e Jaklenec hanno lavorato allo sviluppo di microparticelle cave che possono essere riempite con dosi multiple di un farmaco o di un vaccino. Queste particelle possono essere progettate per rilasciare i loro carichi utili in momenti diversi, che potrebbe eliminare la necessità di iniezioni multiple.

Per migliorare l'iniettabilità di queste e altre microparticelle, i ricercatori hanno analizzato sperimentalmente gli effetti dell'alterazione delle dimensioni e della forma delle microparticelle, la viscosità della soluzione in cui sono sospesi, e le dimensioni e la forma della siringa e dell'ago utilizzati per somministrarli. Hanno testato i cubi, sfere, e particelle cilindriche di diverse dimensioni, e misurato l'iniettabilità di ciascuno.

I ricercatori hanno quindi utilizzato questi dati per addestrare un tipo di modello computazionale noto come rete neurale per prevedere in che modo ciascuno di questi parametri influisce sull'iniettabilità. I fattori più importanti si sono rivelati essere la dimensione delle particelle, concentrazione di particelle nella soluzione, viscosità della soluzione, e dimensione dell'ago. I ricercatori che lavorano su microparticelle che rilasciano farmaci possono semplicemente inserire questi parametri nel modello e ottenere una previsione di quanto saranno iniettabili le loro particelle, risparmiando il tempo che avrebbero dovuto impiegare per costruire versioni diverse delle particelle e testarle sperimentalmente.

"Invece di passare attraverso gli esperimenti, e andando avanti e indietro, non avendo idea di quanto successo avrà il sistema, puoi usare questa rete neurale e può guidarti, presto, avere una comprensione del sistema, " dice Sarmadi.

Aumento dell'iniettabilità

I ricercatori hanno anche usato il loro modello per esplorare come cambiare la forma della siringa potrebbe influenzare l'iniettabilità. Hanno trovato una forma ottimale che ricorda un ugello, con un ampio diametro che si assottiglia verso la punta. Usando questo disegno della siringa, i ricercatori hanno testato l'iniettabilità delle microparticelle che hanno descritto in un 2017 Scienza studio, e hanno scoperto che hanno aumentato la percentuale di particelle consegnate dal 15 percento a quasi il 90 percento.

"Questo è un altro modo per massimizzare le forze che agiscono sulle particelle e spingono le particelle verso l'ago, " Sarmadi dice. "È un risultato promettente che mostra che c'è un enorme margine di miglioramento nell'iniettabilità dei sistemi di microparticelle".

I ricercatori stanno ora lavorando alla progettazione di sistemi ottimizzati per la somministrazione di farmaci immunoterapici contro il cancro, che può aiutare a stimolare una risposta immunitaria che distrugge le cellule tumorali. Ritengono che questi tipi di microparticelle potrebbero essere utilizzati anche per fornire una varietà di vaccini o farmaci, compresi farmaci a piccole molecole e prodotti biologici, che includono grandi molecole come le proteine.