I ricercatori della National University of Singapore (NUS) hanno sviluppato una tecnica per osservare, in tempo reale, come i singoli componenti del sangue interagiscono e modificano le terapie avanzate delle nanoparticelle. Il metodo, sviluppato da un team interdisciplinare composto dal clinico-scienziato Assistant Professor Chester Lee Drum del Dipartimento di Medicina presso la NUS Yong Loo Lin School of Medicine, Professore T. Venky Venkatesan, Direttore del NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute, e Assistant Professor James Kah del Dipartimento di Ingegneria Biomedica presso la Facoltà di Ingegneria della NUS, aiuta a guidare la progettazione di future nanoparticelle per interagire di concerto con i componenti del sangue umano, evitando così effetti collaterali indesiderati.

Questa ricerca è stata pubblicata online sulla rivista Piccolo , una rivista multidisciplinare di prim'ordine che copre la ricerca su nano e microscala, il 10 settembre 2015.

Sfide dell'utilizzo delle nanoparticelle nei sistemi diagnostici e di somministrazione dei farmaci

Con le loro piccole dimensioni e molteplici funzionalità, le nanoparticelle hanno attirato un'intensa attenzione sia come sistemi diagnostici che per la somministrazione di farmaci. Però, entro pochi minuti dalla consegna nel flusso sanguigno, le nanoparticelle sono ricoperte da un guscio di proteine ​​del siero, nota anche come proteina "corona".

"Il legame delle proteine ​​del siero può cambiare profondamente il comportamento delle nanoparticelle, a volte portando a una rapida eliminazione da parte dell'organismo e a un esito clinico ridotto, ", ha affermato il prof Kah dell'Asst.

Metodi esistenti come la spettroscopia di massa e la stima del raggio di diffusione, sebbene utile per studiare importanti parametri delle nanoparticelle, non sono in grado di fornire dettagli, cinetica di legame in tempo reale.

Nuovo metodo per comprendere le interazioni nano-bio

Il team NUS, insieme al collaboratore esterno Professor Bo Liedberg della Nanyang Technological University, ha mostrato una cinetica altamente riproducibile per il legame tra le nanoparticelle d'oro e le quattro proteine ​​sieriche più comuni:albumina sierica umana, fibrinogeno, apolipoproteina A-1, e IgG policlonali.

"Ciò che è stato notevole di questo progetto è stata l'iniziativa presa da Abhijeet Patra, il mio studente laureato della NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering, nel concettualizzare il problema, e riunendo le varie squadre in NUS e oltre per rendere questo un programma di successo, " ha affermato il prof. Venkatesan. "Lo sviluppo chiave è l'uso di una nuova tecnica che utilizza la tecnologia di risonanza plasmonica di superficie (SPR) per misurare la corona proteica formata quando le proteine ​​comuni nel flusso sanguigno si legano alle nanoparticelle, " Ha aggiunto.

I ricercatori hanno prima immobilizzato le nanoparticelle d'oro sulla superficie di un chip sensore SPR con una molecola di collegamento. Il chip è stato appositamente modificato con uno strato di polimero di alginato che ha fornito sia una carica negativa che siti attivi per l'immobilizzazione del ligando, e impedito il legame non specifico. Utilizzando un array di canali microfluidici 6 x 6, hanno studiato fino a 36 interazioni nanoparticella-proteina in un singolo esperimento, l'esecuzione di campioni di prova insieme ai controlli sperimentali.

"La riproducibilità e l'affidabilità sono state un collo di bottiglia negli studi sulle corone proteiche, " ha affermato Abhijeet Patra. "La qualità e l'affidabilità dei dati dipendono soprattutto dalla progettazione di buoni esperimenti di controllo. La nostra configurazione SPR multiplex è stata quindi fondamentale per garantire l'affidabilità dei nostri dati".

Testare diverse concentrazioni di ciascuna delle quattro proteine, il team ha scoperto che l'apolipoproteina A-1 aveva la più alta affinità di legame per la superficie delle nanoparticelle d'oro, con un'associazione costante quasi 100 volte quella della proteina a più bassa affinità, IgG policlonali.

"Our results show that the rate of association, rather than dissociation, is the main determinant of binding with the tested blood components, " said Asst Prof Drum.

The multiplex SPR system was also used to study the effect of modification with polyethylene (PEG), a synthetic polymer commonly used in nanoparticle formulations to prevent protein accumulation. The researchers found that shorter PEG chains (2-10 kilodaltons) are about three to four times more effective than longer PEG chains (20-30 kilodaltons) at preventing corona formation.

"The modular nature of our protocol allows us to study any nanoparticle which can be chemically tethered to the sensing surface, " explained Asst Prof Drum. "Using our technique, we can quickly evaluate a series of nanoparticle-based drug formulations before conducting in vivo studies, thereby resulting in savings in time and money and a reduction of in vivo testing, " Ha aggiunto.

The researchers plan to use the technology to quantitatively study protein corona formation for a variety of nanoparticle formulations, and rationally design nanomedicines for applications in cardiovascular diseases and cancer.