La medicina moderna si basa in gran parte sul trattamento dei pazienti con farmaci a "piccole molecole", che includono antidolorifici come l'aspirina e antibiotici come la penicillina.

Questi farmaci hanno prolungato la durata della vita umana e hanno reso facilmente curabili molti disturbi potenzialmente letali, ma gli scienziati ritengono che il nuovo approccio alla somministrazione di farmaci su scala nanometrica possa offrire ulteriori progressi. Fornire RNA o DNA a cellule specifiche offre la promessa di attivare o disattivare selettivamente i geni, mentre i dispositivi su scala nanometrica che possono essere iniettati o impiantati nel corpo potrebbero consentire ai medici di indirizzare i farmaci a tessuti specifici per un periodo di tempo definito.

"C'è una crescente comprensione delle basi biologiche della malattia, e una crescente comprensione dei ruoli che alcuni geni svolgono nella malattia, "dice Daniel Anderson, il Samuel A. Goldblith Professore Associato di Ingegneria Chimica e membro del MIT's Institute for Medical Engineering and Science e David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research. "La domanda è, 'Come possiamo trarne vantaggio?'"

Ricercatori nel laboratorio di Anderson, così come molti altri al MIT, stanno lavorando a nuovi modi per fornire RNA e DNA per trattare una varietà di malattie. Il cancro è un obiettivo primario, ma le consegne di materiale genetico potrebbero anche aiutare con molte malattie causate da geni difettosi, compresa la malattia di Huntington e l'emofilia. "Ci sono molti geni che pensiamo se potessimo semplicemente spegnerli o accenderli, potrebbe essere terapeutico, "dice Anderson.

Una strada promettente è l'interferenza dell'RNA (RNAi), un processo naturale che consente alle cellule di mettere a punto la loro espressione genica. Brevi filamenti di RNA chiamati siRNA intercettano e distruggono l'RNA messaggero prima che possa trasportare le istruzioni per la costruzione delle proteine ​​dal DNA al resto della cellula. Gli scienziati sperano che creando il proprio siRNA per colpire geni specifici, saranno in grado di disattivare i geni che causano la malattia.

Però, questo potenziale non è stato ancora realizzato a causa delle difficoltà nel fornire in modo sicuro siRNA ai tessuti giusti ed evitare altri tessuti. L'uso di virus è una possibilità, ma è un'opzione che comporta alcuni rischi per la sicurezza, così tanti ricercatori stanno ora studiando veicoli di consegna sintetici per materiale genetico.

Il laboratorio di Anderson sta sviluppando materiali chiamati lipidoidi, molecole grasse che possono avvolgere e fornire filamenti di siRNA. Gli studi hanno dimostrato che questi materiali possono fornire efficacemente l'RNA e ridurre i tumori negli animali; I ricercatori del MIT stanno ora lavorando per svilupparli per i test umani. Queste particelle possono fornire molte sequenze di RNA contemporaneamente, consentendo ai ricercatori di indirizzare più geni. "Molte di queste malattie, in particolare il cancro, sono complicati e possono richiedere la disattivazione di più geni, o disattivando alcuni geni e attivando alcuni geni, "dice Anderson.

Anderson sta anche usando una tecnica chiamata origami di acido nucleico per piegare DNA e RNA in strutture adatte a colpire le cellule tumorali. Origami di acidi nucleici, sviluppato negli ultimi anni, consente un controllo estremamente preciso sulla posizione di ogni atomo all'interno di una struttura, cosa difficile da ottenere con altri tipi di nanoparticelle, dice Anderson.

In uno studio del 2012 sui topi, Anderson ha mostrato che le nanoparticelle di DNA piegate etichettate con folati accumulati nelle cellule del cancro ovarico, che esprimono molti più recettori per i folati sulla loro superficie rispetto alle cellule sane.

Approccio multiplo

Paula Hammond, il David H. Koch Professor of Engineering e membro del Koch Institute, sta inoltre sviluppando nuovi materiali per la somministrazione sia di RNA che di farmaci tradizionali. Usando la sua tecnica di assemblaggio strato per strato, sta creando nanoparticelle che incorporano strati di più tipi di RNA, o combinare l'RNA con un farmaco chemioterapico.

Questo attacco su più fronti potrebbe consentire ai ricercatori di progettare trattamenti che tagliano molte delle possibili vie di fuga delle cellule tumorali. "Siamo molto interessati a esaminare le combinazioni che coinvolgerebbero l'RNAi che abbatte la capacità delle cellule di contrastare l'attacco della chemioterapia, "Dice Hammond.

La ricerca di Hammond in questo settore è ora focalizzata sul cancro, ma l'approccio potrebbe anche prestarsi a trattare l'infiammazione prodotta da malattie infettive, lei dice. "Con RNAi, l'approccio è abbastanza modulare, e una volta capito su quali geni hai bisogno di avere un impatto, puoi lavorare per prenderli di mira, "Dice Hammond.

Il laboratorio di Hammond sta anche lavorando su rivestimenti per dispositivi medici che potrebbero secernere farmaci utili, ormoni o fattori di crescita. Uno di questi progetti prevede il rivestimento degli impianti dell'anca con strati che secernono fattori di crescita ossea. Negli studi sugli animali, ha dimostrato che questi rivestimenti possono favorire la crescita dell'osso naturale, e una maggiore adesione tra gli impianti dell'anca e l'osso del corpo. Se il lavoro si traduce in un uso clinico umano, potrebbe consentire agli impianti dell'anca di durare più a lungo e ridurre la necessità di ulteriori interventi chirurgici per sostituire gli impianti.

Hammond sta anche lavorando su materiali che promuovono la guarigione delle ferite mediante il rilascio preprogrammato di fattori di crescita da bende e medicazioni, e su ultrasottili, rivestimenti trasparenti per lenti sostitutive della cataratta che rilasciano farmaci antinfiammatori.

Consegna e diagnostica

Michele Cima, il professore di ingegneria David H. Koch, e Robert Langer, il professore dell'Istituto David H. Koch, entrambi membri del Koch Institute, stanno lavorando a dispositivi su nano e microscala che possono essere impiantati nel corpo per rilasciare farmaci o diagnosticare malattie.

Diversi anni fa, Cima e Langer hanno iniziato a lavorare su un chip impiantabile in grado di dispensare medicine all'interno del corpo, ma che è controllato in modalità wireless dall'esterno del corpo. Negli studi clinici dello scorso anno, l'azienda che ha sviluppato il chip per uso commerciale ha dimostrato di poter erogare in modo affidabile dosi precise di un farmaco per l'osteoporosi che normalmente viene somministrato per iniezione.

La società che sviluppa il chip, MicroCHIPS Inc., sta ora riducendo il dispositivo e aumentando il numero di serbatoi di farmaco sul chip (la versione utilizzata nella sperimentazione dell'anno scorso aveva 20 di questi pozzi). Ciò potrebbe consentire l'utilizzo del dispositivo per periodi di tempo molto più lunghi, fino a 30 anni, dice Cima. Ciò gli consentirebbe di fungere da ghiandola artificiale, rilasciando ormoni se necessario, lui dice, soprattutto se si potesse incorporare un sensore per avvisare il chip quando rilasciare una dose.

Un dispositivo del genere potrebbe essere utile per molte malattie endocrine. "Malattie della crescita, lo sviluppo e la riproduzione sono tutte aree in cui vi sono bisogni significativi insoddisfatti, o terapie che sono molto difficili da attuare, "dice Cima.

Cima sta inoltre lavorando a dispositivi diagnostici che potrebbero aiutare a monitorare la risposta del tumore al trattamento, o rilevare se qualcuno ha avuto un attacco di cuore. La sua strategia è quella di eseguire test originariamente sviluppati per l'uso in vitro (dove un campione viene rimosso dal corpo e testato in laboratorio), e metti invece il dispositivo di rilevamento all'interno del corpo. Questi dispositivi diagnostici sarebbero impiantati in concomitanza con una procedura medica.

Per esempio, quando si sospetta il cancro, una biopsia viene eseguita su un paziente. Cima sta ora sviluppando dispositivi che potrebbero essere impiantati nel sito del tumore durante la biopsia e successivamente utilizzati per monitorare il livello di ossigeno o l'acidità, entrambi rivelano importanti informazioni su come la malattia dovrebbe essere trattata e se il trattamento sta funzionando.

Un altro sensore che ha sviluppato utilizza nanoparticelle magnetiche, alloggiato in un disco di 8 millimetri impiantato nella pelle, per rilevare tre proteine ​​che vengono rilasciate durante un attacco di cuore. Chiunque si presenti in ospedale con dolore toracico viene testato per quelle proteine, ma i risultati possono sembrare inconcludenti perché le proteine ​​vengono secrete in tempi diversi. Il sensore, che viene letto utilizzando la risonanza magnetica (MRI), potrebbe essere impiantato in pazienti noti per essere ad alto rischio di infarto, rendendo molto più facile per i medici determinare se ne hanno avuto uno.

Tutti i suoi progetti, Cima dice, sono motivati ​​dal desiderio di migliorare le cure mediche per i pazienti. "Lo stiamo facendo perché possiamo fare della tecnologia interessante, ma soprattutto, lo stiamo facendo è perché c'è un bisogno clinicamente significativo, " lui dice.

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.