Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno dovuto affrontare sfide nello sviluppo di nuovi antibiotici anche se i batteri sono diventati sempre più resistenti ai farmaci esistenti. Una strategia che potrebbe combattere tale resistenza sarebbe quella di sopraffare le difese batteriche utilizzando nanoparticelle altamente mirate per fornire grandi dosi di antibiotici esistenti.

In un passo verso quell'obiettivo, i ricercatori del MIT e del Brigham and Women's Hospital hanno sviluppato una nanoparticella progettata per eludere il sistema immunitario e raggiungere i siti di infezione, quindi scatena un attacco antibiotico mirato.

Questo approccio mitigherebbe gli effetti collaterali di alcuni antibiotici e proteggerebbe i batteri benefici che normalmente vivono all'interno del nostro corpo, dice Aleks Radovic-Moreno, uno studente laureato del MIT e autore principale di un articolo che descrive le particelle nella rivista ACS Nano.

Institute Professor Robert Langer del MIT e Omid Farokzhad, direttore del Laboratorio di nanomedicina e biomateriali presso il Brigham and Women's Hospital, sono autori senior del documento. Timoteo Lu, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, e anche gli studenti universitari del MIT Vlad Puscasu e Christopher Yoon hanno contribuito alla ricerca.

Regole di attrazione

Il team ha creato le nuove nanoparticelle da un polimero ricoperto di polietilenglicole (PEG), che è comunemente usato per la somministrazione di farmaci perché non è tossico e può aiutare le nanoparticelle a viaggiare attraverso il flusso sanguigno eludendo il rilevamento da parte del sistema immunitario.

Il passo successivo è stato quello di indurre le particelle a colpire specificamente i batteri. I ricercatori hanno precedentemente cercato di indirizzare le particelle ai batteri dando loro una carica positiva, che li attrae verso le pareti cellulari caricate negativamente dei batteri. Però, il sistema immunitario tende a eliminare le nanoparticelle caricate positivamente dal corpo prima che possano incontrare i batteri.

Per superare questo, i ricercatori hanno progettato nanoparticelle che trasportano antibiotici che possono cambiare la loro carica a seconda del loro ambiente. Mentre circolano nel flusso sanguigno, le particelle hanno una leggera carica negativa. Però, quando incontrano un sito di infezione, le particelle acquistano una carica positiva, consentendo loro di legarsi strettamente ai batteri e rilasciare il carico utile del farmaco.

Questo interruttore è provocato dall'ambiente leggermente acido che circonda i batteri. I siti di infezione possono essere leggermente più acidi del normale tessuto corporeo se i batteri che causano malattie si riproducono rapidamente, esaurire l'ossigeno. La mancanza di ossigeno innesca un cambiamento nel metabolismo batterico, portandoli a produrre acidi organici. Anche le cellule immunitarie del corpo contribuiscono:le cellule chiamate neutrofili producono acidi mentre cercano di consumare i batteri.

Appena sotto lo strato PEG esterno, le nanoparticelle contengono uno strato sensibile al pH costituito da lunghe catene dell'amminoacido istidina. Quando il pH scende da 7 a 6 - rappresentando un aumento dell'acidità - la molecola di poliistidina tende ad acquisire protoni, conferendo alla molecola una carica positiva.

Forza travolgente

Una volta che le nanoparticelle si legano ai batteri, iniziano a rilasciare il loro carico di droga, che è incorporato nel nucleo della particella. In questo studio, i ricercatori hanno progettato le particelle per fornire vancomicina, usato per trattare le infezioni resistenti ai farmaci, ma le particelle potrebbero essere modificate per fornire altri antibiotici o combinazioni di farmaci.

Molti antibiotici perdono la loro efficacia con l'aumentare dell'acidità, ma i ricercatori hanno scoperto che gli antibiotici trasportati dalle nanoparticelle conservavano la loro potenza meglio degli antibiotici tradizionali in un ambiente acido.

L'attuale versione delle nanoparticelle rilascia il carico utile del farmaco in uno o due giorni. “Non vuoi solo una breve dose di droga, perché i batteri possono riprendersi una volta che il farmaco è sparito. Vuoi un rilascio prolungato del farmaco in modo che i batteri vengano costantemente colpiti da elevate quantità di farmaco fino a quando non vengono sradicati, Dice Radovic-Moreno.

Giovane Jik Kwon, professore associato di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso l'Università della California a Irvine, afferma che le nuove nanoparticelle sono ben progettate e potrebbero avere un grande impatto potenziale nel trattamento delle malattie infettive, soprattutto nei paesi in via di sviluppo. “La maggior parte delle nanotecnologie è stata mirata alla somministrazione o all'imaging di farmaci antitumorali; non molte persone hanno mostrato interesse nell'usare un approccio nanotecnologico per le malattie infettive, "dice Kwon, che non faceva parte del gruppo di ricerca.

Sebbene sia necessario un ulteriore sviluppo, i ricercatori sperano che le alte dosi erogate dalle loro particelle possano eventualmente aiutare a superare la resistenza batterica. “Quando i batteri sono resistenti ai farmaci, non significa che smettono di rispondere, significa che rispondono ma solo a concentrazioni più elevate. E il motivo per cui non puoi ottenere questi risultati clinicamente è perché gli antibiotici a volte sono tossici, o non rimangono in quel sito di infezione abbastanza a lungo, Dice Radovic-Moreno.

Una possibile sfida:ci sono anche cellule e proteine ​​tissutali cariche negativamente nei siti di infezione che possono competere con i batteri nel legarsi alle nanoparticelle e potenzialmente impedire loro di legarsi ai batteri. I ricercatori stanno studiando quanto questo potrebbe limitare l'efficacia del loro rilascio di nanoparticelle. Stanno anche conducendo studi sugli animali per determinare se le particelle rimarranno sensibili al pH nel corpo e circoleranno abbastanza a lungo da raggiungere i loro obiettivi.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.