Per una serie di trattamenti medici innovativi e salvavita, dalle sostituzioni di organi e innesti cutanei alla terapia del cancro e alla chirurgia, il successo spesso dipende dallo sfuggire o dal respingere il sistema immunitario del corpo. In un recente sviluppo, finalizzato ad aiutare l'individuazione e il trattamento del cancro, I ricercatori della Drexel University potrebbero aver trovato la struttura superficiale ideale per aiutare microscopiche, aiutanti medici per sopravvivere nel flusso sanguigno senza essere schermati dai meccanismi di difesa naturali del corpo.

I ricercatori, guidato da Hao Cheng, dottorato di ricerca, un assistente professore presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali del Drexel's College of Engineering, hanno studiato come prolungare la vita delle nanoparticelle nel corpo. Queste minuscole molecole organiche, giustamente denominate, possono essere adattate per viaggiare attraverso il flusso sanguigno, cercare e penetrare nei tumori cancerosi. Con questa capacità, hanno mostrato grandi promesse, sia come marcatori per i tumori che come strumenti per curarli. Ma a questo punto, un limite importante alla loro efficacia è per quanto tempo sono in grado di rimanere in circolazione, da qui l'inseguimento di Cheng.

"La maggior parte delle nanoparticelle sintetiche viene rapidamente eliminata nel flusso sanguigno prima di raggiungere i tumori. Il breve tempo di circolazione del sangue è una delle principali barriere per le nanoparticelle nella terapia del cancro e in alcune altre applicazioni biomediche, " Ha detto Cheng. "Il nostro gruppo sta sviluppando un approccio facile che estende notevolmente la circolazione delle nanoparticelle nel sangue al fine di migliorare la loro efficacia antitumorale".

La sua ultima scoperta, pubblicato sulla rivista ACS Nano , mostra che la topografia superficiale è la chiave per la sopravvivenza delle nanoparticelle. Il gruppo di ricerca di Cheng mostra come i gusci polimerici possono essere usati per nascondere le nanoparticelle nel flusso sanguigno dall'assorbimento da parte del sistema immunitario e del fegato, i principali filtri del corpo per rimuovere gli intrusi dannosi dalla circolazione.

Essere "segnalati"

Non appena le nanoparticelle entrano nel flusso sanguigno, le proteine ​​plasmatiche si attaccano immediatamente alle loro superfici, un processo chiamato "adsorbimento proteico". Alcune di queste proteine ​​adsorbite si comportano come un marcatore per etichettare le nanoparticelle come corpi estranei, dicendo al sistema immunitario di rimuoverli.

In precedenza, gli scienziati credevano che una volta che le nanoparticelle fossero macrofagi "etichettati con proteine", le cellule custode del sistema immunitario, assumerebbe la responsabilità primaria di eliminarli dal sangue. Ma la ricerca di Cheng ha scoperto che le cellule endoteliali sinusoidali del fegato in realtà svolgono un ruolo altrettanto importante nel raccogliere gli invasori corporei.

"Questa è stata una scoperta alquanto sorprendente, " Cheng ha detto. "I macrofagi sono normalmente considerati i principali spazzini di nanoparticelle nel sangue. Mentre le cellule endoteliali sinusoidali del fegato esprimono recettori scavenger, era in gran parte sconosciuto che ridurre il loro assorbimento di nanoparticelle avrebbe potuto avere un effetto ancora più drammatico degli sforzi per prevenire l'assorbimento da parte dei microfagi".

Quindi, per mantenere le nanoparticelle in circolazione, i ricercatori avevano bisogno di sviluppare un modo per contrastare entrambi i gruppi di cellule.

Stratificazione

Il metodo attualmente utilizzato per tenere a bada queste cellule, sta rivestendo le nanoparticelle con un guscio polimerico per ridurre l'assorbimento delle proteine, impedendo così che le particelle vengano prese di mira per la rimozione.

Glicole polietilenico-PEG, in breve, è il polimero ampiamente utilizzato come rivestimento di nanoparticelle e un laboratorio di Cheng ha impiegato nel suo lavoro precedente lo sviluppo di rivestimenti per nanoparticelle che possono penetrare nei tumori solidi. I ricercatori hanno dimostrato che la distribuzione di PEG in un denso, lo strato simile a una spazzola può respingere le proteine; e innestandolo meno densamente, in una forma in cui i supporti polimerici sembrano più funghi, può anche prevenire l'assorbimento delle proteine.

Ma i ricercatori di Drexel hanno scoperto che la combinazione dei due tipi di strati crea un rivestimento di nanoparticelle che può contrastare sia le proteine ​​che le cellule "rimbalzanti" del sistema immunitario.

"Abbiamo scoperto che ci vuole un fungo sopra un pennello per mantenere le nanoparticelle "invisibili" nel flusso sanguigno, " ha detto Christopher Li, dottorato di ricerca, un professore al College of Engineering e coautore del documento il cui lavoro si concentra sull'ingegneria dei materiali morbidi, come i polimeri. "Il nostro approccio gerarchico a due strati è un modo intelligente per combinare i vantaggi sia della configurazione del pennello, così come strati di PEG a bassa densità che formano funghi."

Rimanere in gioco

Si scopre che con più spazio da stendere su un guscio di nanoparticelle, I "funghi" di PEG ondeggiano come alghe che oscillano nell'acqua, rendendo le nanoparticelle difficili da raccogliere per i macrofagi e le cellule endoteliali sinusoidali del fegato. Il denso strato interno delle spazzole PEG fa la sua parte per tenere lontane le proteine, creando così una formidabile combinazione per prolungare il viaggio di una nanoparticella nel flusso sanguigno.

"Per la prima volta, stiamo dimostrando che una struttura superficiale dinamica dei nanomateriali è importante per il loro destino in vivo, " disse Hao Zhou, dottorato di ricerca, che era uno studente di dottorato nel laboratorio di Cheng e l'autore principale dell'articolo.

Con gli strati polimerici gerarchici che ricoprono l'esterno delle nanoparticelle, Cheng ha scoperto che possono rimanere nel flusso sanguigno fino a 24 ore. Questo è un aumento doppio rispetto ai migliori risultati nei precedenti studi sulle nanoparticelle e significa che un numero maggiore di particelle sarebbe in grado di raggiungere la loro destinazione finale all'interno dei tumori.

"Questa scoperta suggerisce che abbiamo identificato la configurazione PEG ottimale per il rivestimento di nanoparticelle, " ha detto Wilbur B. Bowne, dottore, un chirurgo oncologico e professore al Drexel's College of Medicine, che ha contribuito alla pubblicazione. "Il prolungamento del tempo di circolazione a 24 ore amplia le possibilità di utilizzo delle nanoparticelle nella terapia e nella diagnosi del cancro".