Questa è Marité Cardenas nel suo laboratorio di Copenaghen. Credito:Jes Andersen/Università di Copenaghen
Come se essere malati non fosse già abbastanza grave, c'è anche la paura di frequenti iniezioni, effetti collaterali e sovradosaggio di farmaci. Ora un team di ricercatori dell'Università di Copenaghen, Dipartimento di Chimica, Centro di nanoscienze e Institut Laue-Langevin (ILL), hanno dimostrato che i serbatoi di farmaci antivirali potrebbero essere fabbricati per legarsi specificamente a tessuti infetti come le cellule tumorali per la somministrazione lenta e concentrata di trattamenti farmacologici.
La nuova ricerca è pubblicata su Lettere macro ACS . Le scoperte, dalla dott.ssa Marité Cárdenas (Copenhagen) e dal dott. Richard Campbell e dal dott. Erik Watkins (ILL), è il risultato di studi di riflettometria neutronica presso la principale sorgente di neutroni al mondo a Grenoble, Francia. Potrebbero fornire un modo per ridurre i dosaggi e la frequenza delle iniezioni somministrate a pazienti sottoposti a un'ampia varietà di trattamenti, oltre a ridurre al minimo gli effetti collaterali del sovradosaggio.
Il collegamento di serbatoi di farmaci terapeutici alle membrane cellulari per una diffusione lenta e un rilascio continuo all'interno delle cellule è uno degli obiettivi principali della ricerca e dello sviluppo di farmaci. Un candidato promettente per confezionare e trasportare tali intrugli di farmaci è un gruppo di particelle cristalline liquide autoassemblate. Composto da molecole grasse note come fosfolipidi e macromolecole a forma di albero chiamate dendrimeri che hanno molti rami, le particelle si formano spontaneamente e hanno la capacità di assorbire e trasportare grandi quantità di molecole di farmaco per una diffusione prolungata. Sono anche noti per la loro capacità di legarsi alle membrane cellulari.
I primi trattamenti che utilizzano tali particelle sono prossimi al mercato attraverso prodotti che incorporano una formulazione simile chiamata Cubosomi (nanoparticelle in fase cubica). Sviluppato e commercializzato dalla start-up svedese Camarus Ab, le sue nanoparticelle FluidCrystal promettono mesi di somministrazione del farmaco da una singola iniezione e la possibilità di regolare la somministrazione a intervalli di qualsiasi cosa, da giornaliera a una volta al mese. Però, un requisito fondamentale per un'applicazione ottimale di queste formulazioni è una comprensione dettagliata di come interagiscono con le membrane cellulari.
Questo era il fulcro del lavoro che prevedeva una collaborazione tra la dott.ssa Marité Cárdenas (Copenhagen) e il dott. Richard Campbell e il dott. Erik Watkins (ILL). In questo esperimento il team ha utilizzato i neutroni per analizzare l'interazione delle particelle liquido cristalline con una membrana cellulare modello variando due parametri:
Il team ha utilizzato una tecnica nota come riflettometria di neutroni per cui fasci di neutroni vengono rimossi da una superficie e la riflettività misurata viene utilizzata per dedurre informazioni dettagliate sulla superficie, compreso lo spessore, struttura dettagliata e composizione di eventuali strati sottostanti. Questi esperimenti sono stati condotti sullo strumento FIGARO presso l'ILL di Grenoble, che offre modalità di riflessione su e giù uniche che hanno permesso al team di esaminare le superfici superiore e inferiore, alternando i campioni ogni due ore durante un periodo di campionamento di 30 ore.
È stato dimostrato che l'interazione delle particelle liquido cristalline con la membrana è guidata dalla carica sulla parete della cella modale. Sottili cambiamenti nella quantità di carica negativa sulla parete della membrana hanno incoraggiato le molecole dendrimeriche a forma di albero a penetrare attraverso permettendo al resto della molecola di legarsi alla superficie, formando un serbatoio annesso. La sensibilità dell'interazione a piccoli cambiamenti di carica suggerisce che semplici aggiustamenti alla proporzione di lipidi e macromolecole carichi potrebbero ottimizzare questo processo. In futuro questa caratteristica potrebbe anche fornire un meccanismo per concentrare il trattamento su cellule mirate come quelle infettate dal cancro che si pensa abbiano una densità di carica più negativa rispetto alle cellule sane.
In termini di effetti gravitazionali l'analisi ha anche mostrato che gli aggregati interagivano preferenzialmente con le membrane solo quando si trovavano al di sopra del campione. Effetti simili causati dalla diversa densità e galleggiabilità delle soluzioni sono già sfruttati in alcuni trattamenti per lo stomaco e i ricercatori incoraggeranno studi futuri su come gli effetti gravitazionali potrebbero essere utilizzati per ottimizzare queste interazioni per la somministrazione di farmaci.
"Le cellule cancerose hanno uno squilibrio che conferisce loro una diversa composizione molecolare e proprietà fisiche complessivamente diverse rispetto alle normali cellule sane", spiega il dottor Cardenas. "Mentre tutte le cellule sono negative, le cellule cancerose tendono ad essere più cariche negativamente di quelle sane a causa di una diversa composizione delle molecole di grasso sulla loro superficie. Questa è una proprietà che riteniamo possa essere sfruttata in future ricerche sui meccanismi di veicolazione che coinvolgono l'attaccamento di particelle cristalline liquide lamellari. Il nostro prossimo passo è introdurre il farmaco stesso nei serbatoi e assicurarci che possa muoversi attraverso la membrana. Questo lavoro apre la strada a test cellulari e sperimentazioni cliniche in futuro sfruttando la nostra metodologia"
"Naturalmente non è una novità che le particelle nelle formulazioni possano affondare o galleggiare, ma interazioni specifiche così drammaticamente diverse di questi nanocarrier con membrane modello di diversi orientamenti ci hanno colto completamente di sorpresa", ha affermato il dott. Campbell. "Volumi di campione molto piccoli vengono spesso utilizzati nelle indagini biomediche, quindi gli effetti della separazione di fase non possono essere visti. I nostri risultati suggeriscono che i ricercatori di laboratorio potrebbero dover rivalutare il modo in cui esaminano l'efficacia delle formulazioni di nuova concezione per tenere conto dei forti effetti gravitazionali".
Il dott. Watkins ha inoltre commentato:"Questo studio è una perfetta illustrazione della capacità unica di FIGARO di acquisire dati da interfacce orizzontali sopra e sotto nello stesso esperimento. Non solo i neutroni sono unicamente sensibili agli elementi più leggeri trovati nella chimica organica, ma la capacità di prendere tutti i dati immediatamente in situ senza disturbare il campione sono vitali. Questi campioni biologici cambiano sempre in modo sottile durante il tempo in cui li si analizza, quindi è fondamentale che tu possa prendere questi dati il più rapidamente possibile. "
