Una classe di nanoparticelle ingegnerizzate - sfere centrate sull'oro più piccole dei virus - si è dimostrata sicura se somministrata per due vie alternative in uno studio sui topi condotto da ricercatori della Stanford University School of Medicine. Questo segna il primo passo nella scala degli studi tossicologici che, entro un anno e mezzo, potrebbe cedere alla sperimentazione umana dei minuscoli agenti per la rilevazione del cancro del colon-retto e possibilmente di altri.

"La mancanza di tossicità di queste nanoparticelle nei topi è un buon segno che si comporteranno bene negli esseri umani, " disse Sanjiv Sam Gambhir, dottore, dottorato di ricerca, professore di radiologia e autore senior dello studio, che sarà pubblicato il 20 aprile come articolo in primo piano in Scienza Medicina traslazionale .

"La diagnosi precoce di qualsiasi cancro, compreso il cancro del colon-retto, migliora notevolmente la sopravvivenza, " ha detto Gambhir. Ad esempio, l'uso diffuso della colonscopia ha ridotto significativamente i tassi di mortalità per cancro del colon, Egli ha detto. "Ma la colonscopia si basa sull'occhio umano. Quindi questo strumento di screening, pur essendo estremamente utile, mancano ancora molte lesioni tumorali come quelle troppo piccole, oscuro o piatto per essere notato."

Un modo promettente per rilevare precocemente le lesioni cancerose consiste nell'impiegare reporter molecolari attratti dai siti delle lesioni cancerose. Un metodo in uso prevede coloranti fluorescenti accoppiati con anticorpi che riconoscono e si legano alle caratteristiche superficiali delle cellule tumorali.

Ma questo approccio ha i suoi svantaggi, disse Gambhir, chi è il direttore del programma di imaging molecolare a Stanford. Anche i tessuti del corpo sono leggermente fluorescenti, complicare i tentativi di individuare i siti del tumore. Più, la gamma ristretta di colori in cui i coloranti fissati con l'anticorpo emettono fluorescenza limita il numero di diverse caratteristiche associate al tumore che possono essere identificate contemporaneamente. Alcune versioni di questo approccio si sono anche dimostrate tossiche per le cellule.

Il nuovo studio è la prima dimostrazione di successo della sicurezza di una nuova classe di agenti:minuscole palline d'oro che sono state rivestite con materiali progettati per essere rilevati con una sensibilità molto elevata, quindi racchiusi in gusci di silice trasparente e legati a molecole di glicole polietilenico per renderli più biologicamente compatibili. Le molecole che si depositano sulle cellule tumorali possono essere apposte su di esse. Le nanoparticelle risultanti misurano solo 100 nanometri di diametro.

I materiali che circondano i centri d'oro delle nanoparticelle hanno speciali, se sottile, proprietà ottiche. Tipicamente, la luce rimbalza sulla superficie di un materiale alla stessa lunghezza d'onda che aveva quando ha colpito la superficie. Ma in ciascuno dei materiali specializzati, circa un decimilionesimo della luce in arrivo rimbalza in uno schema di lunghezze d'onda discrete caratteristiche di quel materiale. I nuclei d'oro sottostanti sono stati sgrossati in un modo che amplifica notevolmente questo cosiddetto "effetto Raman, " consentendo il rilevamento simultaneo di molti materiali di imaging diversi da uno strumento sensibile chiamato microscopio Raman.

Nanoparticelle di questo tipo erano originariamente utilizzate negli inchiostri per valute, per renderli difficili da contraffare. Ma il laboratorio di Gambhir, in collaborazione con Oxonica Materiali, una piccola azienda di proprietà della Cabot Corp. con sede a Boston, li ha adattati per uso biologico.

"Il photoimaging con queste nanoparticelle mantiene la promessa di una diagnosi precoce delle malattie, anche prima che si manifestino cambiamenti anatomici grossolani, senza rimuovere fisicamente alcun tessuto dal paziente, " disse Gambhir, che è anche Virginia e D.K. Ludwig Professore di ricerca sul cancro. Ma fino ad ora, non ci sono prove che queste particelle non siano tossiche. I potenziali effetti di qualcosa di così piccolo da poter essere assorbito dalle cellule non possono essere dati per scontati.

Per vedere se questa preoccupazione poteva essere messa a tacere, i ricercatori hanno somministrato le nanoparticelle a due gruppi di topi, ciascuno composto da 30 animali maschi e 30 femmine, e valutato la tossicità in vari modi. In ogni caso, la dose era 1, 000 volte più grande di quanto sarebbe necessario per ottenere un segnale chiaro dalle nanoparticelle.

Il primo gruppo di 60 topi ha ricevuto le nanoparticelle per via rettale. I ricercatori hanno seguito una serie di misurazioni in cinque diversi punti temporali che vanno da cinque minuti a due settimane. Hanno monitorato la pressione sanguigna degli animali di prova, elettrocardiogrammi e conta leucocitaria. Hanno esaminato diversi tessuti per l'aumento dell'espressione di enzimi antiossidanti o proteine ​​di segnalazione pro-infiammatorie, il che suggerirebbe uno stress fisiologico sulle cellule degli animali. Hanno colorato i tessuti con coloranti che segnalano le cellule morenti.

Queste ispezioni non hanno prodotto praticamente alcun segno di stress per i tessuti, e nessuno entro due settimane dal momento della somministrazione. È importante sottolineare che il team ha ispezionato i tessuti tramite microscopia elettronica per scoprire dove si erano depositate le particelle contenenti oro. Non trovarono oro da nessuna parte al di fuori dell'intestino, indicando che le nanoparticelle sono rimaste confinate a quell'organo e quindi, quando somministrato per via rettale, non rappresentava una minaccia di tossicità sistemica. Per di più, le nanoparticelle sono state rapidamente espulse.

"Ciò abbassa l'asticella per i test di questi agenti da parte della Food and Drug Administration per l'uso nella rilevazione dei tumori del colon-retto, perché affronta le preoccupazioni sulla tossicità sistemica, " ha detto Gambhir.

Però, anche se le nanoparticelle si fossero spostate oltre l'intestino, sembra che non avrebbero causato problemi sistemici. Somministrando le nanoparticelle per via endovenosa al secondo gruppo di 60 topi, i ricercatori hanno trovato ancora una volta scarsi segni di infiammazione o altre prove di tossicità - e praticamente nessuno entro due settimane dalla somministrazione. Le nanoparticelle somministrate per via endovenosa sono state rapidamente sequestrate da cellule spazzine residenti in organi come il fegato e la milza.

This opens the door to human tests of intravenous injections of these nanoparticles to search for tumors throughout the body. "We can attach molecules targeting breast, lung or prostate cancer to these spheres, " Gambhir said. In the study, the researchers did test nanoparticles conjugated to one such molecule:a small protein snippet, or peptide, known to be attracted to tumor cells. Ancora, no toxic effects were observed.

Gambhir's group is now filing for FDA approval to proceed to clinical studies of the nanoparticles for the diagnosis of colorectal cancer.