Nanoparticelle fluorescenti di ossido di ferro si illuminano nelle cellule endoteliali in un esperimento alla Rice University. A sinistra, le nanoparticelle sono equamente distribuite tra i microtubuli che contribuiscono a dare forma alle cellule. A destra, dopo l'applicazione di un campo magnetico, le nanoparticelle vengono tirate verso un'estremità delle cellule e cambiano forma. I ricercatori ritengono che questo offra un modo per rendere la barriera endoteliale abbastanza "permeabile" da consentire alle molecole di farmaci di passare per raggiungere i tessuti. Crediti:Laboratorio di Ingegneria Biomolecolare e Nanomedicina/Rice University
Le cellule endoteliali che rivestono i vasi sanguigni sono imballate strettamente per mantenere il sangue all'interno e scorrere, ma gli scienziati della Rice University e i loro colleghi hanno scoperto che potrebbe essere possibile aprire selettivamente le lacune in quelle barriere quanto basta per far passare grandi molecole e poi chiuderle di nuovo.
Il bioingegnere del riso Gang Bao e i collaboratori della Emory University e del Georgia Institute of Technology hanno riferito di utilizzare magneti per aiutare le nanoparticelle di ossido di ferro a invadere le cellule endoteliali sia in laboratorio che in vivo. Quindi usano gli stessi magneti per rendere i vasi temporaneamente "che perdono".
Questa permeabilità consentirebbe ai farmaci a grandi molecole di raggiungere i tessuti bersaglio, ha detto Bao. Magneti potenti possono essere in grado di condurre le stesse cellule staminali infuse di nanoparticelle o le stesse nanoparticelle cariche di farmaci verso aree mirate, anche nei tessuti profondi come organi che le terapie attuali non riescono a raggiungere, Egli ha detto.
Lo studio appare oggi in Comunicazioni sulla natura .
"Per molte malattie, la consegna sistemica attraverso il flusso sanguigno è l'unico modo per fornire molecole al sito, " Bao ha detto. "Piccole molecole possono penetrare nel vaso sanguigno ed entrare nelle cellule malate, ma grandi molecole come proteine o nanoparticelle caricate con farmaci non possono passare efficacemente l'endotelio a meno che non perda".
I vasi sanguigni nei tumori cancerosi hanno tipicamente buchi nella barriera endoteliale, ma non chiudono su richiesta come Bao e il suo team sperano di fargli fare.
Sotto l'influenza di un magnete, le nanoparticelle riallineano i filamenti di actina nelle cellule endoteliali. I ricercatori della Rice University sospettano che tale riallineamento possa interrompere le giunzioni tra le cellule endoteliali e aumentare la permeabilità vascolare. Crediti:Laboratorio di Ingegneria Biomolecolare e Nanomedicina/Rice University
Insieme alle molecole dei farmaci, Bao vuole utilizzare i magneti per fornire cellule staminali infuse di nanoparticelle ai tessuti danneggiati. "A meno che tu non possa fare l'iniezione diretta di cellule staminali, diciamo nel cuore, devi fare la consegna sistemica e non hai alcun controllo su dove vanno.
"La nostra idea iniziale era di fornire nanoparticelle magnetiche nelle cellule staminali e quindi utilizzare un magnete per attirare le cellule staminali in una posizione particolare, " ha detto. "Così facendo, abbiamo anche scoperto che applicando un campo magnetico, potremmo generare cambiamenti nella struttura scheletrica della cellula in termini di strutture dei filamenti di actina".
Questi elementi strutturali danno alle cellule la loro forma e aiutano a mantenere le cellule vicine strettamente compattate. "Abbiamo pensato che se potessimo alterare la giunzione cellula-cellula usando la forza magnetica, c'era la possibilità che potessimo progettare la tenuta della nave, " ha detto Bao.
Il laboratorio ha creato una camera a flusso microfluidico che imitava il sistema vascolare e rivestiva i suoi tubi con vere cellule endoteliali. Gli esperimenti hanno dimostrato la loro ipotesi:quando un campo magnetico è stato applicato alle cellule infuse di nanoparticelle, gli spazi aperti. Il rilassamento della forza ha consentito alla maggior parte degli spazi vuoti di chiudersi dopo 12 ore.
Le immagini microscopiche hanno mostrato che le nanoparticelle marcate con fluorescenza erano distribuite uniformemente all'interno del canale endoteliale quando non veniva applicato un campo magnetico. Quando era, le particelle ridistribuite, e la forza che applicavano distorceva il citoscheletro.
I ricercatori della Rice University preparano un lotto di nanoparticelle di ossido di ferro per gli esperimenti. Hanno scoperto le particelle, insieme a potenti magneti, può essere utilizzato per aprire spazi per il rilascio di farmaci tra le cellule endoteliali che rivestono i vasi sanguigni. Da sinistra, Gang Bao, Sheng Tong e Linlin Zhang. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
In alcune immagini, Sono stati osservati filamenti di actina che aiutano a dare a una cellula la sua forma allineati con la forza. "È un cambiamento piuttosto drammatico, " Bao ha detto. "Una volta applicata la forza, dato abbastanza tempo, la struttura delle cellule cambia. Ciò porta all'apertura della giunzione cellula-cellula".
Bao ha detto che la forza magnetica genera anche un segnale biologico che altera la struttura del citoscheletro. "Contribuisce anche alla permeabilità, " ha detto. "Stiamo ancora cercando di capire che tipo di segnale diamo alle cellule e come le singole cellule stanno rispondendo".
Sebbene ci siano metodi per facilitare due tipi di trasporto attraverso la barriera endoteliale - paracellulare (tra le cellule) e transcellulare (attraverso le cellule) - nessuno dei due ha la capacità di colpire aree specifiche del corpo. Bao ha detto che l'approccio del suo team offre una soluzione.
Ha detto che il suo gruppo fa parte di un progetto collaborativo in corso sulla riparazione del ginocchio con il laboratorio del dottor Johnny Huard, un professore di chirurgia ortopedica presso l'Università del Texas Health Science Center di Houston. "Il problema è come accumulare cellule staminali terapeutiche intorno al ginocchio e tenerle lì, " ha detto Bao. "Dopo aver iniettato le cellule infuse di nanoparticelle, vogliamo mettere una serie di magneti intorno al ginocchio per attirarli.
"Ma se vuoi curare il cuore o il fegato, avresti bisogno di un dispositivo abbastanza grande per avere il campo magnetico richiesto, " ha detto. "Non l'abbiamo ancora. Portare tutto questo in un contesto clinico sarà una sfida".
