Usando un romanzo, sistema di imaging in tempo reale, gli scienziati hanno rintracciato un gruppo di nanoparticelle fluorescenti nel vicino infrarosso dagli spazi aerei dei polmoni, nel corpo e fuori di nuovo, fornendo una descrizione delle caratteristiche e del comportamento di queste minuscole particelle che potrebbero essere utilizzate nello sviluppo di agenti terapeutici per il trattamento delle malattie polmonari, oltre a offrire una maggiore comprensione degli effetti sulla salute dell'inquinamento atmosferico.

Guidati dagli investigatori del Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) e della Harvard School of Public Health, i risultati sono descritti nel numero Advance Online della rivista del 7 novembre Biotecnologie naturali .

A una scala da uno a 100 nanometri (nm) – un miliardesimo di metro – le nanoparticelle sono troppo piccole per essere visibili attraverso un microscopio tradizionale. Ma questa scala estremamente ridotta li rende potenziali candidati per la somministrazione mirata di farmaci, in grado di individuare con precisione le fonti della malattia con maggiore efficienza e minimi effetti collaterali sui tessuti circostanti.

"Le nanoparticelle promettono come agenti terapeutici per una serie di malattie, " spiega il co-autore senior John V. Frangioni, dottore, dottorato di ricerca, della Divisione di Ematologia/Oncologia presso BIDMC e Professore Associato di Medicina e Radiologia presso la Harvard Medical School (HMS), il cui laboratorio è specializzato nello sviluppo di sistemi di imaging e nello sviluppo di mezzi di contrasto per l'imaging molecolare. L'anatomia del polmone, con la sua ampia superficie e le barriere minime che limitano l'accesso al corpo, rende questo organo un obiettivo particolarmente buono per la somministrazione di farmaci con nanoparticelle.

"Siamo stati interessati al destino delle piccole particelle dopo che si sono depositate in profondità nella regione di scambio di gas del polmone, " aggiunge il co-autore senior Akira Tsuda, dottorato di ricerca, ricercatore nel Programma di Scienze Fisiologiche Molecolari e Integrative del Dipartimento di Salute Ambientale della Harvard School of Public Health. "La determinazione delle caratteristiche fisico-chimiche delle nanoparticelle inalate sulla loro capacità di attraversare la superficie epiteliale alveolare [dei polmoni] è un passo importante nella comprensione degli effetti biologici associati all'esposizione a queste particelle".

Opera precedente di Frangioni e del primo autore Hak Soo Choi, dottorato di ricerca, un istruttore di medicina presso HMS, aveva stabilito le caratteristiche delle nanoparticelle che regolano l'eliminazione dal corpo. "Per essere di valore clinicamente, le nanoparticelle devono essere in grado di biodegradarsi in composti biologicamente inerti, o essere efficacemente eliminato dal corpo, "dice Choi, spiegando che l'accumulo di nanoparticelle può essere tossico.

Lo scopo di questo nuovo studio era determinare le caratteristiche e i parametri delle nanoparticelle inalate che mediano il loro assorbimento nel corpo - dall'ambiente esterno, attraverso la superficie polmonare alveolare e nel sistema linfatico e nel flusso sanguigno e infine ad altri organi. Per fare questo, gli scienziati hanno utilizzato il sistema di imaging FLARE™ (resezione ed esplorazione assistita da fluorescenza), variando sistematicamente la composizione chimica, dimensione, forma e carica superficiale di un gruppo di nanoparticelle fluorescenti nel vicino infrarosso per confrontare le proprietà fisico-chimiche delle varie particelle ingegnerizzate. I ricercatori hanno quindi monitorato il movimento delle diverse nanoparticelle nei polmoni dei modelli di ratto per un periodo di un'ora, e anche i risultati verificati utilizzando traccianti radioattivi convenzionali.

"Il sistema FLARE ci ha permesso di dimezzare il numero di esperimenti eseguendo confronti diretti di nanoparticelle di diverse dimensioni, forme e rigidità, " spiega Frangioni, il cui laboratorio ha sviluppato il sistema FLARE per l'uso nella chirurgia oncologica guidata dalle immagini e in altre applicazioni.

I loro risultati hanno stabilito che le nanoparticelle con carica non positiva, inferiore a 34 nm di diametro, apparso nei linfonodi drenanti polmoni entro 30 minuti. Hanno anche scoperto che le nanoparticelle di diametro inferiore a 6 nm con caratteristiche "zwitterioniche" (uguale carica positiva e negativa) sono arrivate ai linfonodi drenanti in pochi minuti, successivamente essere eliminato dai reni nelle urine.

"Queste nuove scoperte possono essere applicate per progettare e ottimizzare le particelle per la somministrazione di farmaci mediante terapia inalatoria, " nota Tsuda. "Questa ricerca ci guida anche nella valutazione degli effetti sulla salute di vari inquinanti particolati, poiché i dati suggeriscono l'importanza di distinguere sottoclassi specifiche di particelle [in base alla chimica e alle dimensioni della superficie] che possono attraversare rapidamente l'epitelio alveolare e possono diffondersi nel corpo".

aggiunge Frangioni, "Questo studio integra il nostro lavoro precedente in cui abbiamo definito le caratteristiche delle nanoparticelle che regolano l'eliminazione efficiente dal corpo. Con queste nuove scoperte, che definiscono le caratteristiche che regolano l'assorbimento nell'organismo, ora abbiamo descritto un "ciclo" completo di traffico di nanoparticelle:dall'ambiente, attraverso i polmoni, nel corpo, poi fuori dai reni nelle urine e di nuovo nell'ambiente."