(Phys.org) — Un team di chimici e bioingegneri della Penn State University e della Boston University ha inventato un nuovo metodo per trovare e somministrare farmaci curativi a microfratture nelle ossa appena formate. Il metodo prevede la somministrazione mirata dei farmaci, direttamente alle crepe, sul dorso di minuscole nanoparticelle autoalimentate. L'energia che fa girare i motori delle nanoparticelle e li fa precipitare verso la crepa proviene da una fonte sorprendente:la crepa stessa.

"Quando si verifica una crepa in un osso, distrugge i minerali nelle ossa, che lisciviano come particelle cariche, come ioni, che creano un campo elettrico, che attira le nanoparticelle caricate negativamente verso la fessura, ", ha affermato il professore di chimica della Penn State Ayusman Sen, co-leader del gruppo di ricerca. "I nostri esperimenti hanno dimostrato che una particella biocompatibile può fornire rapidamente e naturalmente un farmaco per l'osteoporosi direttamente a un osso appena fratturato".

Sen ha detto che la formazione di questo tipo di campo elettrico è un fenomeno ben noto, ma altri scienziati in precedenza non lo avevano utilizzato sia come fonte di energia che come segnale di riferimento per fornire attivamente farmaci per la guarigione delle ossa nei siti più a rischio di frattura o deterioramento attivo. "È un nuovo modo per rilevare le crepe e fornire loro medicinali, ", ha affermato il co-leader del team e professore della Boston University Mark Grinstaff.

Il metodo è più energico e più mirato rispetto ai metodi attuali, in cui i farmaci viaggiano passivamente sul flusso sanguigno circolante, dove possono o meno arrivare alle microfratture in un dosaggio sufficientemente alto per iniziare la guarigione. Il nuovo metodo mantiene la promessa di trattare, non appena si formano, le microfratture che portano alla rottura delle ossa nei pazienti con osteoporosi e altre condizioni mediche.

Per trovare un modo per curare le microfratture prima che si trasformino in rotture, Sen e la sua studentessa Vinita Yadav hanno unito il loro laboratorio di chimica con il laboratorio di chimica/ingegneria biomedica di Grinstaff. Gli scienziati hanno poi fatto una serie di esperimenti in ciascuno dei loro laboratori. Un articolo scientifico che descrive questi esperimenti è pubblicato questo mese sulla rivista internazionale di chimica Angewandte Chemie .

La prima serie di esperimenti di Sen e Yadav ha testato il loro nuovo modo di fornire medicinali in un sistema modello utilizzando l'osso di una tibia e un femore umani e particelle fluorescenti molto piccole chiamate punti quantici realizzati con un materiale sintetico. Sen ha detto, "Abbiamo aggiunto la fluorescenza a queste particelle perché la fluorescenza le rende così facili da vedere al microscopio". Questa prima serie di test ha mostrato che i punti quantici caricati negativamente lo hanno fatto, infatti, avvicinarsi e accumularsi su una crepa appena formata.

Gli scienziati hanno quindi testato il loro sistema utilizzando un materiale biologico naturale, una molecola proteica, per vedere se avrebbe funzionato sull'osso umano e se i punti quantici sintetici si sarebbero comportati. I risultati di questi test sono stati incoraggianti. Quindi il team guidato da Sen e Grinstaff ha alzato ulteriormente l'asticella, facendo la loro prossima serie di esperimenti con nanomotori realizzati sia con un materiale biologico che con un materiale sintetico. Volevano vedere se potevano attaccare il materiale biologico, un farmaco usato per curare l'osteoporosi, su un materiale sintetico che potesse trasportarlo, come un nanotruck, a una crepa in un osso umano. Il materiale sintetico selezionato dagli scienziati per trasportare il farmaco per l'osteoporosi (acido polilattico-co-glicolico) è stato approvato dalla Federal Drug Administration ed è ampiamente utilizzato nei dispositivi medici. L'obiettivo di questa serie di esperimenti era realizzare un nanotruck autoalimentato che potesse trasportare il farmaco per l'osteoporosi (alendronato di sodio) e avesse buone possibilità di essere sicuro per l'uso all'interno del corpo umano.

Come le nanoparticelle nei test precedenti, il materiale del nanotruck approvato dalla FDA aveva una piccola molecola fluorescente attaccata ad esso in modo che i suoi movimenti potessero essere visti al microscopio. "I nostri esperimenti mostrano che questo nanomotore bio-sicuro può, infatti, trasportare con successo il farmaco per l'osteoporosi in una nuova fessura in un osso umano, " ha detto Sen. Ha spiegato che, anche quando questi nanomotori sono stati caricati con milioni di molecole del loro carico di guarigione delle ossa, ognuno era ancora da 30 a 40 volte più piccolo di un globulo rosso.

In una serie finale di esperimenti, fatto nel laboratorio Grinstaff della Boston University, lo studente laureato Jonathan Freedman ha testato lo stesso farmaco per l'osteoporosi su cellule ossee umane vive. "Le cellule ossee trattate sono aumentate di numero rispetto a quelle che non sono state trattate con il farmaco per l'osteoporosi, che conferma altri studi che hanno dimostrato che questo farmaco è efficace nel riparare le ossa umane, " ha detto Grinstaff.

"Ciò che rende i nostri nanomotori diversi è che possono fornire attivamente e naturalmente farmaci in un'area mirata, " Sen ha detto. "Metodi attuali, in contrasto, implicano l'assunzione di un farmaco e la speranza che ne raggiunga una quantità sufficiente dove è necessario per la guarigione." saranno necessari molti più test e molti ulteriori sviluppi prima che possa essere dimostrato sicuro ed efficace per prevenire le fratture ossee in pazienti con condizioni come l'osteoporosi.