La progettazione di nanomedicina per combattere le malattie è un'area calda della ricerca scientifica, principalmente per il trattamento del cancro, ma molto poco si sa nel contesto della malattia aterosclerotica. Gli scienziati hanno progettato un microchip rivestito con cellule dei vasi sanguigni per saperne di più sulle condizioni in cui le nanoparticelle si accumulano nelle arterie piene di placche dei pazienti con aterosclerosi, la causa sottostante di infarto miocardico e ictus.

Nella ricerca, microchip sono stati rivestiti con un sottile strato di cellule endoteliali, che costituiscono la superficie interna dei vasi sanguigni. Nei vasi sanguigni sani, le cellule endoteliali fungono da barriera per tenere gli oggetti estranei fuori dal flusso sanguigno. Ma nei siti inclini all'aterosclerosi, la barriera endoteliale si rompe, permettendo alle cose di muoversi dentro e fuori dalle arterie che non dovrebbero.

In un nuovo studio, le nanoparticelle sono state in grado di attraversare lo strato di cellule endoteliali sul microchip in condizioni che imitano lo strato permeabile nell'aterosclerosi. I risultati sul dispositivo microfluidico erano ben correlati con l'accumulo di nanoparticelle nelle arterie di un modello animale con aterosclerosi, dimostrando la capacità del dispositivo di aiutare a schermare le nanoparticelle e ottimizzarne il design.

"È un modello semplice:un microchip, non piatto di coltura cellulare, il che significa che un semplice microchip endoteliale con microelettrodi può mostrare alcune ma importanti previsioni di ciò che sta accadendo in un grande modello animale, " ha detto YongTae (Tony) Kim, un assistente professore in bioingegneria presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology.

La ricerca è stata pubblicata a gennaio online sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Questo lavoro rappresenta uno sforzo multidisciplinare di ricercatori che stanno collaborando all'interno del Program of Excellence in Nanotechnology finanziato dal National Heart, Polmone, e Istituto del Sangue, il National Institutes of Health (NIH). Il team comprende ricercatori del David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT, la Scuola di Medicina Icahn al Monte Sinai, il Centro Medico Accademico di Amsterdam, Kyushu Institute of Technology in Giappone, e la Boston University School of Medicine e la Harvard Medical School.

Kim ha iniziato il lavoro come borsista post-dottorato presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) nel laboratorio di Robert Langer.

"Questo è un meraviglioso esempio di sviluppo di un nuovo approccio alla nanotecnologia per affrontare un importante problema medico, " ha detto Robert Langer, il David H. Koch Institute Professor presso il Massachusetts Institute of Technology, rinomato per il suo lavoro nell'ingegneria dei tessuti e nella somministrazione di farmaci.

Kim e Langer hanno collaborato con i ricercatori della Icahn School of Medicine al Mount Sinai di New York. Marco Lobato, co-autore principale lavora nei laboratori di Willem Mulder, un esperto in nanomedicina cardiovascolare e Zahi Fayad, il direttore del Translational and Molecular Imaging Institute del Monte Sinai.

"Il lavoro rappresenta un'integrazione unica di tecnologia microfluidica, nanomedicina cardiovascolare, biologia vascolare e imaging in vivo. Ora capiamo meglio come funziona il targeting delle nanoparticelle nell'aterosclerosi", afferma Lobatto.

I ricercatori sperano che il loro microchip possa accelerare il processo di sviluppo della nanomedicina prevedendo meglio le prestazioni delle nanoparticelle terapeutiche in modelli animali più grandi, come i conigli. Un simile modello in vitro gratuito farebbe risparmiare tempo e denaro e richiederebbe meno animali.

Pochi sistemi di somministrazione di farmaci basati su nanoparticelle, rispetto agli studi proposti, sono stati approvati dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti, ha detto Kim. L'intero processo di sviluppo di una piattaforma di nanomedicina può richiedere 15 anni per passare dall'idea alla sintesi, ai test in vitro, ai test in vivo fino all'approvazione.

"Questo è un processo frustrante, " Kim ha detto. "Spesso ciò che funziona nei piatti di coltura cellulare non funziona nei modelli animali".

Per contribuire ad accelerare la ricerca sulla nanomedicina migliorando le capacità predittive dei test in vitro, Kim e colleghi hanno progettato il loro microchip per imitare ciò che accade nel corpo meglio di ciò che è attualmente possibile attraverso la coltura cellulare di routine.

"Nel futuro, possiamo realizzare microchip molto più simili a ciò che accade nei modelli animali, o anche esseri umani, rispetto agli studi convenzionali su piastre di coltura cellulare, " ha detto Kim.

Sul loro microchip, gli scienziati possono controllare la permeabilità dello strato di cellule endoteliali alterando la velocità del flusso sanguigno attraverso le cellule o introducendo una sostanza chimica che viene rilasciata dall'organismo durante l'infiammazione. I ricercatori hanno scoperto che la permeabilità delle cellule sul microchip era ben correlata con la permeabilità dei microvasi in un grande modello animale di aterosclerosi.

I microchip consentono un controllo preciso dell'ambiente meccanico e chimico intorno alle cellule viventi. Utilizzando il microchip, i ricercatori possono creare condizioni fisiologicamente rilevanti per le cellule alterando la velocità del flusso sanguigno attraverso le cellule o introducendo una sostanza chimica che viene rilasciata dal corpo durante l'infiammazione.

Kim ha affermato che mentre questo sistema basato su microchip offre una migliore prevedibilità rispetto agli attuali esperimenti di coltura cellulare, non sostituirà la necessità degli studi sugli animali, che forniscono un quadro relativamente più completo di come una particolare nanomedicina potrebbe funzionare negli esseri umani.

"Questo è meglio di un esperimento su un piatto in vitro, ma non replicherà perfettamente ciò che accade all'interno del corpo nel prossimo futuro, " Kim ha detto. "Aiuterà a rendere l'intero processo più veloce e salvare un certo numero di animali."