La nanotecnologia potrebbe un giorno fornire un veicolo inalato per fornire geni terapeutici mirati a coloro che soffrono di disturbi polmonari potenzialmente letali. I ricercatori potrebbero aver scoperto il primo sistema di rilascio del gene che penetra in modo efficiente la barriera di muco delle vie aeree umane, difficile da violare, del tessuto polmonare.

Ricercatori della Johns Hopkins University School of Medicine, Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare della Johns Hopkins University, e l'Università Federale di Rio de Janeiro in Brasile hanno progettato una nanoparticella caricata di DNA che può passare attraverso la barriera di muco che copre le vie aeree conduttrici del tessuto polmonare, dimostrando il concetto, dicono, che i geni terapeutici possano un giorno essere consegnati direttamente ai polmoni a livelli sufficienti per trattare la fibrosi cistica (FC), broncopneumopatia cronica ostruttiva, asma e altre malattie polmonari pericolose per la vita.

"Per quello che ci risulta, questo è il primo sistema di rilascio genico biodegradabile che penetra efficacemente nella barriera del muco delle vie aeree umane del tessuto polmonare, " dice l'autore dello studio Jung Soo Suk, dottorato di ricerca, un ingegnere biomedico e membro di facoltà presso il Center for Nanomedicine presso il Wilmer Eye Institute della Johns Hopkins. Un rapporto sul lavoro è apparso in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze il 29 giugno.

La barriera di muco protegge i corpi estranei e i batteri dall'entrare e/o infettare i polmoni. Nei polmoni sani, la materia inalata è tipicamente intrappolata nel muco delle vie aeree e successivamente spazzata via dai polmoni tramite le attività di battito delle ciglia, o piccolo, ciocche simili a capelli, allo stomaco per essere eventualmente degradato. Sfortunatamente, note suk, questo meccanismo protettivo essenziale impedisce anche molte terapie per via inalatoria, compresa la medicina basata sui geni, dal raggiungere il loro obiettivo.

Gli esperimenti del suo team con muco delle vie aeree umane e piccoli animali, Suk aggiunge, sono stati progettati come uno studio di prova che dimostra che l'inserimento di geni o farmaci correttivi o sostitutivi all'interno di un "involucro" di nanoparticelle biodegradabili creato dall'uomo che i pazienti inalano potrebbe penetrare la barriera del muco e un giorno essere utilizzato per trattare gravi disturbi polmonari. Cosa c'è di più, perché una singola dose potrebbe teoricamente durare per diversi mesi, i pazienti sperimenterebbero meno effetti collaterali comuni ai farmaci che devono essere assunti regolarmente per lunghi periodi di tempo.

Suk afferma che il loro lavoro con le nanoparticelle è nato da sforzi falliti per fornire cure a persone con malattie polmonari. Nei pazienti con FC, ad esempio, sperimentano un accumulo di muco in eccesso causato da un battito ciliare alterato, risultando in un terreno fertile ideale per l'infezione batterica cronica e l'infiammazione. Questo processo patogeno non solo peggiora la qualità della vita dei pazienti - e spesso mette i pazienti in situazioni pericolose per la vita - ma rende anche il muco delle vie aeree più difficile da superare con le nanoparticelle terapeutiche inalate.

La maggior parte dei farmaci esistenti per la FC aiuta a eliminare le infezioni ma non risolve i problemi alla base della malattia. Un paio di farmaci recentemente approvati progettati per colpire la causa sottostante della fibrosi cistica richiedono un trattamento quotidiano per l'intera vita e possono beneficiare solo una sottopopolazione di pazienti con specifici tipi di mutazioni. Eppure questo studio, note suk, ha dimostrato che la consegna di copie normali di geni correlati alla CF o di geni correttivi attraverso le nanoparticelle caricate di DNA che penetrano nel muco potrebbe mediare la produzione di normali, proteine ​​"funzionali" a lungo termine. Questo potrebbe alla fine diventare una terapia efficace per i polmoni dei pazienti, indipendentemente dal tipo di mutazione.

Ad oggi, nessuno è stato in grado di capire come fornire in modo efficiente quei geni ai polmoni, Suk dice, rilevando che gli esperimenti che utilizzano virus disattivati ​​per trasportarli si sono dimostrati inefficienti e costosi, e potrebbe potenzialmente portare a gravi effetti collaterali. Inoltre, il corpo potrebbe sviluppare resistenza a questi sistemi di somministrazione basati su virus, rendendo discutibile il meccanismo di consegna.

In alternativa, numerosi non virali, sistemi sintetici sono stati ampiamente testati. Però, ricerche precedenti avevano dimostrato che la maggior parte dei non virali, Le nanoparticelle caricate di DNA possiedono una carica positiva che le ha fatte aderire ad ambienti biologici caricati negativamente, in questo caso il muco che ricopre le vie aeree polmonari. In altre parole, le nanoparticelle convenzionali sono troppo appiccicose per evitare interazioni fuori bersaglio indesiderate durante il loro viaggio verso le cellule bersaglio. Ulteriore, queste particelle tendono ad aggregarsi rapidamente in condizioni fisiologiche, rendendoli troppo grandi per penetrare nella rete di muco delle vie aeree.

Per il suo design, il team ha sviluppato un metodo semplice per rivestire densamente le nanoparticelle con un polimero non appiccicoso chiamato PEG, neutralizzato la carica e creato un esterno non appiccicoso. Hanno dimostrato che queste nanoparticelle hanno mantenuto le loro dimensioni in un ambiente fisiologico e sono in grado di penetrare rapidamente nel muco delle vie aeree umane appena raccolto dai pazienti che visitano il Johns Hopkins Adult Cystic Fibrosis Program diretto da Michael Boyle, un coautore del documento. Il team ha anche reso biodegradabile l'intero sistema di somministrazione in modo che non si accumuli all'interno del corpo.

Per verificare se il sistema fornisce un trasferimento genico efficiente ai polmoni degli animali, i ricercatori li hanno confezionati con un gene che produce proteine ​​​​che generano luce una volta consegnate nelle cellule bersaglio. Hanno dimostrato che la somministrazione inalatoria dei geni attraverso le nanoparticelle che penetrano nel muco ha portato a una produzione diffusa della proteina a livelli superiori al gold standard, piattaforme non virali, compreso un sistema clinicamente testato. Inoltre, hanno dimostrato che i polmoni trattati si illuminavano fino a quattro mesi dopo una singola somministrazione.

"Con una dose, puoi ottenere l'espressione genica, cioè produzione di proteine ​​terapeutiche, per diversi mesi, "Suk dice, aggiungendo che le nanoparticelle non sembravano mostrare alcun effetto negativo, come un aumento dell'infiammazione polmonare.

Suk e il suo team avvertono che sono necessari più studi sugli animali per confermare e perfezionare il loro studio proof-of-concept, e che il trattamento dei disturbi umani con terapie nanoavvolte è lontano anni.