Le nanoparticelle sono state annunciate come una potenziale "tecnologia dirompente" in biomedicina, una piattaforma versatile che potrebbe soppiantare le tecnologie convenzionali, sia come veicoli per la somministrazione di farmaci che come strumenti diagnostici.

Primo, però, i ricercatori devono dimostrare la disintegrazione tempestiva di queste strutture estremamente piccole, un processo essenziale per le loro prestazioni e la loro capacità di essere espulsi in sicurezza dal corpo di un paziente dopo che il suo lavoro è terminato. Un nuovo studio presenta un metodo unico per misurare direttamente la degradazione delle nanoparticelle in tempo reale all'interno di ambienti biologici.

"Le nanoparticelle sono realizzate con design e proprietà molto diversi, ma tutti devono essere eventualmente eliminati dal corpo dopo aver completato il loro compito, " ha detto il ricercatore di cardiologia Michael Chorny, dottorato di ricerca, dell'ospedale pediatrico di Filadelfia (CHOP). "Offriamo un nuovo metodo per analizzare e caratterizzare il disassemblaggio delle nanoparticelle, come un passo necessario per tradurre le nanoparticelle in uso clinico".

Chorny e colleghi hanno descritto questa nuova metodologia nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , pubblicato online il 3 marzo 2014, e nel numero cartaceo del 18 marzo della rivista.

Il team CHOP ha studiato a lungo le nanoparticelle biodegradabili per applicazioni mediche. Con diametri che vanno da poche decine a poche centinaia di nanometri, queste particelle sono da 10 a 1000 volte più piccole dei globuli rossi (un nanometro è un milionesimo di millimetro). Una delle principali sfide consiste nel monitorare continuamente il destino delle nanoparticelle in ambienti biologici modello e nelle cellule viventi senza interrompere le funzioni cellulari.

"Misurare accuratamente il disassemblaggio delle nanoparticelle in tempo reale direttamente nei mezzi di interesse, come l'interno di una cellula vivente o altri tipi di ambiente biologico complesso, è impegnativo. Il nostro obiettivo qui era sviluppare un metodo non invasivo che fornisse risultati imparziali, " ha detto Chorny. "Questi risultati aiuteranno i ricercatori a personalizzare le formulazioni di nanoparticelle per specifiche applicazioni terapeutiche e diagnostiche".

Il team di studio ha utilizzato un fenomeno fisico chiamato trasferimento di energia di risonanza di Förster, o FRET, come una sorta di righello molecolare per misurare la distanza tra i componenti delle loro particelle.

Per questo, i ricercatori hanno etichettato le loro formulazioni con sonde fluorescenti che mostrano il trasferimento di energia senza radiazioni, cioè., FRET, quando si trova all'interno della stessa particella. Questo processo si traduce in uno speciale pattern di fluorescenza, una "impronta digitale" di particelle fisicamente intatte, che gradualmente scompare man mano che procede lo smontaggio delle particelle. Questo cambiamento nelle proprietà fluorescenti delle nanoparticelle può essere monitorato direttamente senza separare le particelle dal loro ambiente, consentendo senza distorsioni, misurazioni continue della loro integrità.

"Le molecole devono essere molto vicine tra loro, a pochi nanometri di distanza, affinché avvenga il trasferimento di energia, " ha detto Chorny. "I cambiamenti nei modelli di fluorescenza riflettono sensibilmente la cinetica del disassemblaggio delle nanoparticelle. Sulla base di questi risultati, possiamo migliorare il design delle particelle per renderle più sicure ed efficaci."

Il tasso di smontaggio è altamente rilevante per potenziali applicazioni specifiche. Ad esempio, alcune nanoparticelle potrebbero trasportare un farmaco destinato ad un'azione rapida, mentre altri dovrebbero mantenere il farmaco protetto e rilasciato in modo controllato nel tempo. L'adattamento delle proprietà della formulazione per questi compiti può richiedere un'attenta regolazione dell'intervallo di tempo dello smontaggio delle nanoparticelle. È qui che questa tecnica può diventare uno strumento prezioso, facilitando notevolmente il processo di ottimizzazione

Nello studio attuale, gli scienziati hanno analizzato come le nanoparticelle si sono disintegrate sia in mezzi liquidi che semiliquidi, e nelle cellule vascolari che simulano il destino delle particelle utilizzate per somministrare la terapia ai vasi sanguigni danneggiati. "Abbiamo scoperto che è probabile che il disassemblaggio avvenga più rapidamente all'inizio del processo di guarigione dei vasi e rallenti in seguito. Ciò potrebbe avere implicazioni per la progettazione di nanoparticelle destinate a farmaci mirati, terapia genica o cellulare della malattia vascolare, " ha detto Corno.

Chorny e colleghi hanno studiato a lungo l'utilizzo di nanoparticelle formulate come vettori che forniscono farmaci antiproliferativi e bioterapeutici ai vasi sanguigni soggetti a pericolose restenosi (ri-blocco). Molti di questi studi, nel laboratorio di ricerca cardiologica del coautore CHOP Robert J. Levy, M.D., utilizzare campi magnetici esterni per guidare le nanoparticelle impregnate di ossido di ferro verso gli stent arteriosi metallici, impalcature strette impiantate all'interno dei vasi sanguigni.

La ricerca attuale, ha detto Cornea, mentre è immediatamente rilevante per la terapia della restenosi e il parto a guida magnetica, ha potenziali applicazioni molto più ampie. "Le nanoparticelle potrebbero essere formulate con agenti di contrasto per la diagnostica per immagini, o potrebbe somministrare farmaci antitumorali a un tumore, " ha detto. "Il nostro strumento di misurazione può aiutare i ricercatori a sviluppare e ottimizzare le loro formulazioni di nanomedicina per una vasta gamma di usi medici".