Queste immagini mostrano cellule tumorali mammarie di topo prese al microscopio. In entrambe le immagini, il verde indica la membrana cellulare, e il blu indica il nucleo. Le cellule nell'immagine in basso sono state trattate con nanoparticelle caricate con Taxol, mentre le celle nell'immagine in alto no. Il colore rosso indica la presenza di nanoparticelle all'interno delle cellule. La barra della scala è di 50 micrometri. Credito:Mu et al., Materiali oggi, 2020
La somministrazione di farmaci è un enigma ricorrente nel trattamento del cancro. Gli scienziati hanno sviluppato molte terapie anticancro. Ma quei farmaci spesso danneggiano i tessuti sani, e i farmaci possono persino rompersi nel flusso sanguigno prima di raggiungere il sito del tumore. I farmaci antitumorali possono durare più a lungo se disciolti in determinate soluzioni chimiche, ma molti hanno effetti collaterali potenzialmente tossici.
Le nanoparticelle sono un tipo promettente di sistema di somministrazione dei farmaci. Conosciuti anche come nanovettori, queste minuscole particelle possono legarsi ai farmaci e proteggerli dalla degradazione fino a quando non entrano nelle cellule tumorali. Ma la loro efficacia come trasportatori di farmaci e protettori di farmaci, così come la potenziale tossicità nei pazienti, dipende in modo significativo dalla loro dimensione, composizione e proprietà chimiche. Bilanciare questi fattori in competizione è un processo delicato. Sebbene i ricercatori abbiano compiuto progressi significativi nella nanomedicina nell'ultimo decennio, è rimasta una sfida formidabile progettare e sintetizzare piccoli, nanoparticelle stabili che potrebbero fornire farmaci sufficienti per trattare i tumori solidi.
All'inizio di quest'anno gli scienziati dell'Università di Washington hanno annunciato di aver raggiunto un tale equilibrio con un sistema di somministrazione di farmaci a base di nanoparticelle che può trasportare un potente farmaco antitumorale attraverso il flusso sanguigno in modo sicuro. Come riportano in un articolo pubblicato a maggio in Materiali oggi , la loro nanoparticella è derivata dalla chitina, un polimero naturale e organico che, tra l'altro, costituisce il guscio esterno dei gamberi.
Il gruppo, guidato da Miqin Zhang, un professore UW di scienza e ingegneria dei materiali e di chirurgia neurologica, hanno dimostrato che il loro sistema derivato dalla chitina può trasportare con successo Taxol, un potente farmaco antitumorale noto anche come paclitaxel, attraverso il flusso sanguigno e inibiscono la crescita e la diffusione del tumore, noto anche come metastasi, nei topi. Le nanoparticelle non hanno mostrato effetti collaterali negativi, probabilmente poiché derivano in parte da polimeri naturali.
"Questo potrebbe costituire la base di una nuova classe di sistemi di rilascio di nanoparticelle in grado di trasportare in modo sicuro le terapie antitumorali attraverso il corpo, senza effetti collaterali tossici dal materiale delle nanoparticelle, "disse Zhang, che è anche ricercatore di facoltà presso l'UW Institute for Nano-Engineered Systems e il Molecular Engineering and Sciences Institute.
Queste immagini mostrano campioni di tessuto prelevati da tumori mammari di topo. L'immagine a sinistra è di un tumore che non ha ricevuto alcun farmaco antitumorale. L'immagine a destra è di un tumore trattato con nanoparticelle caricate con Taxol. Le cellule a destra hanno una forma anormale e sono separate da regioni bianche "bollenti", che si osservano nei tumori del topo trattati con Taxol. La barra della scala è di 75 micrometri. Credito:Mu et al., Materiali oggi , 2020
Le nanoparticelle, una volta caricato con Taxol, hanno un diametro di circa 20,6 nanometri. È circa 1/4000 della larghezza di un capello umano, secondo la National Nanotechnology Initiative degli Stati Uniti. Le particelle sono abbastanza piccole da viaggiare attraverso i vasi sanguigni e raggiungere siti tumorali potenzialmente compatti.
Il team di Zhang ha iniziato caricando particelle di Taxol su filamenti molto più lunghi di chitosano, un materiale derivato dalla chitina. Le nanofibre si scompongono per formare nanoparticelle quando esposte al siero, una proteina del sangue, sia in laboratorio che nel corpo. I ricercatori hanno dimostrato che le nanofibre caricate con farmaci, quando iniettato nei topi, si scomponevano rapidamente nelle minuscole nanoparticelle, grazie alle proteine del siero nel sangue, e potevano circolare liberamente nel flusso sanguigno, entrare negli organi e raggiungere i siti tumorali.
Il team ha sottoposto le nanoparticelle caricate a Taxol a una raffica di esperimenti per vedere cosa potevano fare ai tumori. Nelle colture cellulari di cellule cancerose mammarie di topo, la maggior parte delle cellule tumorali ha mostrato segni di morte cellulare 48 ore dopo il trattamento, indicando che il Taxol associato alle nanoparticelle potrebbe entrare nelle cellule tumorali e compromettere la crescita cellulare almeno così come il Taxol che fluttua liberamente. Nei topi, Nanofibre caricate con taxolo, che si scompone in nanoparticelle, ha mostrato il 90% di inibizione della crescita del tumore mammario rispetto a circa il 66% di inibizione per Taxol iniettato nella soluzione clinica ampiamente utilizzata oggi. Le nanoparticelle hanno anche inibito la crescita del tumore del melanoma nei topi fino al 75%. In esperimenti separati sui topi, Le nanoparticelle caricate di tassolo hanno anche impedito la diffusione del cancro mammario ad altre parti del corpo, a differenza di Taxol in una soluzione clinica.
Oltre a questi risultati promettenti con i tumori, il team ha scoperto che le nanoparticelle hanno mantenuto la circolazione di Taxol nel flusso sanguigno più a lungo, dando al farmaco più tempo per raggiungere il sito del tumore. Nel flusso sanguigno dei topi, l'emivita delle nanoparticelle associate a Taxol era di quasi 25 ore, rispetto a meno di 2 ore per Taxol iniettato nella soluzione clinica. I topi a cui sono state iniettate le nanofibre non hanno mostrato segni di effetti collaterali tossici, indicando che le nanoparticelle stesse non stavano causando danni ai tessuti. In contrasto, la soluzione clinica ampiamente utilizzata oggi per Taxol può causare tossicità epatica nei topi, tra gli altri effetti collaterali.
Zhang ritiene che le nanoparticelle derivate dal chitosano potrebbero costituire la base di un sistema di somministrazione di farmaci non tossici per il cancro che mantiene le terapie nel corpo più a lungo per inibire la crescita e le metastasi del tumore.
"Questa è una scoperta molto promettente. Molti sistemi di somministrazione di farmaci utilizzati oggi per i farmaci antitumorali hanno effetti collaterali tossici, e non protegga il farmaco per molto tempo nel corpo del paziente, " ha detto Zhang. "Le nanoparticelle hanno tutte le caratteristiche che si possono sperare nell'introdurre il farmaco nelle cellule tumorali. Il piccolo nanocarrier a base di chitosano, realizzato in loco, con biocompatibilità e biodegradabilità uniche, offre una nuova strategia per la somministrazione di farmaci antitumorali e ha un grande potenziale per una rapida traduzione in clinica".
