I bioingegneri potrebbero essere in grado di utilizzare le proprietà meccaniche uniche delle cellule malate, come le cellule tumorali metastatiche, per aiutare a migliorare la consegna dei trattamenti farmacologici alle cellule mirate, secondo un team di ricercatori della Penn State.

Molti laboratori in tutto il mondo stanno sviluppando a base di nanoparticelle, sistemi di somministrazione di farmaci per colpire selettivamente i tumori. Si basano su un sistema key-and-lock in cui le chiavi proteiche sulla superficie della nanoparticella si agganciano alle serrature di una proteina altamente espressa sulla superficie della cellula cancerosa. La membrana cellulare quindi avvolge la nanoparticella e la ingerisce. Se viene ingerita una quantità sufficiente di nanoparticelle e del loro carico di droga, la cellula cancerosa morirà.

La forza adesiva della serratura e della chiave è ciò che spinge la nanoparticella nella cellula, disse Sulin Zhang, professore di scienze ingegneristiche e meccaniche.

"È quasi universale che ogni volta che c'è una forza trainante per un processo, c'è sempre una forza resistiva, " disse Zhang. "Ecco, la forza trainante è biochimica:l'interazione proteina-proteina."

La forza resistiva è il costo dell'energia meccanica necessaria alla membrana per avvolgere la nanoparticella. Fino ad ora, i bioingegneri hanno considerato solo la forza trainante e hanno progettato nanoparticelle per ottimizzare le interazioni chimiche, una strategia di targeting chiamata "chemiotargeting". Zhang crede che dovrebbero anche prendere in considerazione la meccanica delle cellule per progettare nanoparticelle per ottenere un targeting avanzato, che forma una nuova strategia di targeting chiamata "mechanotargeting".

"Queste due strategie di targeting sono complementari; puoi combinare il chemiotargeting e il meccanotargeting per ottenere il pieno potenziale degli agenti diagnostici e terapeutici basati sulle nanoparticelle, " Zhang ha detto. "Il fatto è che mirare all'efficienza richiede un delicato equilibrio tra forze motrici e resistive. Ad esempio, se ci sono troppe chiavi sulla superficie delle nanoparticelle, anche se queste chiavi interagiscono solo debolmente con i blocchi non corrispondenti sulle celle normali, questi deboli, le interazioni fuori bersaglio possono ancora fornire energia di adesione sufficiente affinché le nanoparticelle penetrino nella membrana cellulare e uccidano le cellule sane".

D'altra parte, se l'energia di adesione non è abbastanza alta, la nanoparticella non entrerà nella cellula.

In "Mechanotargeting:assorbimento cellulare delle nanoparticelle dipendente dalla meccanica, " pubblicato online prima della stampa sulla rivista Materiale avanzato , Zhang e il team riportano i risultati di esperimenti su cellule tumorali cresciute su idrogel di rigidità variabile. Sugli idrogel morbidi le cellule sono rimaste coese e benigne e hanno subito uno stress quasi costante che ha limitato l'assorbimento delle nanoparticelle. Ma su idrogel rigidi le cellule sono diventate metastatiche e hanno adottato una forma tridimensionale, offrendo più superficie per l'adesione delle nanoparticelle, ed è diventato meno stressato. In questa condizione, le cellule hanno assorbito cinque volte il numero di nanoparticelle delle cellule benigne.

"Le nanoparticelle sono fluorescenti, quindi contiamo il numero di nanoparticelle che entrano nella cellula per intensità di fluorescenza. Abbiamo scoperto che nelle cellule maligne l'intensità è cinque volte superiore, " ha detto Zhang. "Questo dimostra che il meccanotargeting funziona".