Glioblastoma multiforme, un cancro del cervello noto anche come "tumori del polpo" a causa del modo in cui le cellule tumorali estendono i loro viticci nel tessuto circostante, è praticamente inutilizzabile, resistente alle terapie, e sempre fatale, di solito entro 15 mesi dall'esordio. Ogni anno, glioblastoma multiforme (GBM) uccide circa 15, 000 persone negli Stati Uniti. Uno dei principali ostacoli al trattamento è la barriera ematoencefalica, la rete di vasi sanguigni che permette ai nutrienti essenziali di entrare nel cervello ma blocca il passaggio di altre sostanze. Ciò di cui c'è un disperato bisogno è un mezzo per trasportare efficacemente i farmaci terapeutici attraverso questa barriera. Un esperto di nanoscienze del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) potrebbe avere la soluzione.

Ting Xu, uno scienziato di polimeri con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, specializzato in materiali bio/nano ibridi autoassemblanti, ha sviluppato una nuova famiglia di nanocarrier formati dall'autoassemblaggio di peptidi e polimeri anfifilici. Chiamato "3HM" per micelle a 3 eliche a spirale avvolta, questi nuovi nanovettori soddisfano tutti i requisiti di dimensioni e stabilità per fornire efficacemente un farmaco terapeutico ai tumori GBM. Gli anfifili sono composti chimici che presentano proprietà sia idrofile (amante dell'acqua) che lipofile (amante dei grassi). Le micelle sono aggregati sferici di anfifili.

In una recente collaborazione tra Xu, Katherine Ferrara dell'Università della California (UC) Davis, e John Forsayeth e Krystof Bankiewicz dell'UC San Francisco, I nanocarrier 3HM sono stati testati sui tumori GBM nei ratti. Utilizzando la forma radioattiva del rame (rame-64) in combinazione con la tomografia a emissione di positroni (PET) e la risonanza magnetica (MRI), la collaborazione ha dimostrato che 3HM può attraversare la barriera ematoencefalica e accumularsi all'interno dei tumori GBM a quasi il doppio del tasso di concentrazione degli attuali nanovettori approvati dalla FDA.

"I nostri nanocarrier 3HM mostrano ottime caratteristiche per il trattamento dei tumori cerebrali in termini di lunga circolazione, penetrazione profonda del tumore e basso accumulo in organi fuori bersaglio come fegato e milza, "dice Xu, che detiene anche un appuntamento congiunto con i dipartimenti di scienze e ingegneria dei materiali della UC Berkeley, e Chimica. "Il fatto che 3HM sia in grado di attraversare la barriera ematoencefalica dei ratti portatori di GBM e di accumularsi selettivamente all'interno del tessuto tumorale, apre la possibilità di trattare il GBM tramite la somministrazione di farmaci per via endovenosa piuttosto che con misure invasive. Anche se c'è ancora molto da imparare sul perché 3HM è in grado di fare ciò che fa, finora tutti i risultati sono stati molto positivi".

Le cellule gliali forniscono supporto fisico e chimico ai neuroni. Circa il 90% di tutte le cellule del cervello sono cellule gliali che, a differenza dei neuroni, subire un ciclo di nascita, differenziazione, e mitosi. Subire questo ciclo rende le cellule gliali vulnerabili a diventare cancerose. Quando lo fanno, come suggerisce il nome "multiforme", possono assumere forme diverse, che spesso rende difficile il rilevamento fino a quando i tumori non sono pericolosamente grandi. Le molteplici forme di una cellula gliale cancerosa rendono anche difficile identificare e localizzare tutti i viticci della cellula. La rimozione o la distruzione della massa tumorale principale lasciando intatti questi viticci è una terapia inefficace:come la mitica Idra, i viticci germoglieranno nuovi tumori.

Sebbene esistano farmaci terapeutici approvati dalla FDA per il trattamento del GBM, questi trattamenti hanno avuto un impatto limitato sul tasso di sopravvivenza dei pazienti perché la barriera ematoencefalica ha limitato l'accumulo di sostanze terapeutiche all'interno del cervello. Tipicamente, Le terapie GBM vengono trasportate attraverso la barriera ematoencefalica in liposomi speciali che hanno una dimensione di circa 110 nanometri. I nanocarrier 3HM sviluppati da Xu e dal suo gruppo hanno una dimensione di soli 20 nanometri. Le loro dimensioni più ridotte e la struttura gerarchica unica hanno consentito ai nanocarrier 3HM un accesso molto maggiore ai tumori GBM di ratto rispetto ai liposomi da 110 nanometri nei test effettuati da Xu e dai suoi colleghi.

"3HM è un prodotto della ricerca di base all'interfaccia tra la scienza dei materiali e la biologia, " dice Xu. "Quando ho iniziato a Berkeley, Ho esplorato nanomateriali ibridi basati su proteine, peptidi e polimeri come una nuova famiglia di biomateriali. Durante il processo di comprensione dell'assemblaggio gerarchico dei coniugati anfifilici peptide-polimero, io e il mio gruppo abbiamo notato un comportamento insolito di queste micelle, in particolare la loro insolita stabilità cinetica nell'intervallo di dimensioni di 20 nanometri. Abbiamo esaminato le esigenze critiche per i nanocarrier con questi attributi e identificato il trattamento del cancro GBM come una potenziale applicazione".

Il rame-64 è stato utilizzato per etichettare i nanocarrier sia 3HM che liposomi per studi sistematici su PET e MRI per scoprire come la dimensione di un nanocarrier potrebbe influenzare la farmacocinetica e la biodistribuzione nei ratti con tumori GBM. I risultati non solo hanno confermato l'efficacia di 3HM come navi di consegna GBM, suggeriscono inoltre che l'imaging PET e MRI della distribuzione delle nanoparticelle e della cinetica del tumore può essere utilizzato per migliorare la progettazione futura delle nanoparticelle per il trattamento del GBM.

"Pensavo che i nostri materiali ibridi 3HM potessero offrire nuove opportunità terapeutiche per GBM, ma non mi aspettavo che accadesse così rapidamente, "dice Xu, che ha ottenuto un brevetto per la tecnologia 3HM.