Quando i dispositivi medici vengono impiantati nel corpo, il sistema immunitario spesso li attacca, producendo tessuto cicatriziale intorno al dispositivo. Questo accumulo di tessuto, noto come fibrosi, possono interferire con il funzionamento del dispositivo.

I ricercatori del MIT hanno ora escogitato un nuovo modo per prevenire il verificarsi della fibrosi, incorporando un farmaco immunosoppressore cristallizzato nei dispositivi. Dopo l'impianto, il farmaco viene secreto lentamente per smorzare la risposta immunitaria nell'area immediatamente circostante il dispositivo.

"Abbiamo sviluppato una formulazione di farmaci cristallizzati che può colpire i principali attori coinvolti nel rigetto dell'impianto, sopprimendoli localmente e consentendo al dispositivo di funzionare per più di un anno, "dice Shady Farah, un postdoc del MIT e del Boston Children's Hospital e co-primo autore dello studio, che presto inizierà una nuova posizione come assistente professore della Facoltà di Ingegneria Chimica Wolfson e del Russell Berrie Nanotechnology Institute presso il Technion-Israel Institute of Technology.

I ricercatori hanno dimostrato che questi cristalli potrebbero migliorare notevolmente le prestazioni delle cellule delle isole incapsulate, che stanno sviluppando come possibile trattamento per i pazienti con diabete di tipo 1. Tali cristalli potrebbero essere applicati anche a una varietà di altri dispositivi medici impiantabili, come pacemaker, stent, o sensori.

L'ex postdoc del MIT Joshua Doloff, ora assistente professore di ingegneria biomedica e della scienza dei materiali e membro del Translational Tissue Engineering Center presso la Johns Hopkins University School of Medicine, è anche uno dei principali autori del documento, che appare nel numero del 24 giugno di Materiali della natura . Daniele Anderson, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria chimica del MIT e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research e Institute for Medical Engineering and Science (IMES) del MIT, è l'autore senior del documento.

Droga cristallina

Il laboratorio di Anderson è uno dei tanti gruppi di ricerca che lavorano sui modi per incapsulare le cellule delle isole e trapiantarle in pazienti diabetici, nella speranza che tali cellule possano sostituire le cellule pancreatiche non funzionanti dei pazienti ed eliminare la necessità di iniezioni giornaliere di insulina.

La fibrosi è uno dei principali ostacoli a questo approccio, perché il tessuto cicatriziale può bloccare l'accesso delle cellule delle isole all'ossigeno e ai nutrienti. In uno studio del 2017, Anderson ei suoi colleghi hanno dimostrato che la somministrazione sistemica di un farmaco che blocca i recettori cellulari per una proteina chiamata CSF-1 può prevenire la fibrosi sopprimendo la risposta immunitaria ai dispositivi impiantati. Questo farmaco prende di mira le cellule immunitarie chiamate macrofagi, che sono le cellule primarie responsabili dell'inizio dell'infiammazione che porta alla fibrosi.

"Quel lavoro si è concentrato sull'identificazione di bersagli farmacologici di prossima generazione, vale a dire quali giocatori di cellule e citochine erano essenziali per la risposta fibrotica, "dice Doloff, chi era l'autore principale di quello studio, che coinvolse anche Farah. Aggiunge, "Dopo aver saputo cosa dovevamo prendere di mira per bloccare la fibrosi, e lo screening dei candidati ai farmaci necessari per farlo, dovevamo ancora trovare un modo sofisticato per ottenere la consegna locale e il rilascio il più a lungo possibile".

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno cercato di trovare un modo per caricare il farmaco direttamente in un dispositivo impiantabile, per evitare di somministrare ai pazienti farmaci che sopprimerebbero il loro intero sistema immunitario.

"Se hai un piccolo dispositivo impiantato nel tuo corpo, non vuoi che tutto il tuo corpo venga esposto a farmaci che influiscono sul sistema immunitario, ed è per questo che siamo interessati a creare modi per rilasciare farmaci dal dispositivo stesso, "dice Anderson.

Per ottenere ciò, i ricercatori hanno deciso di provare a cristallizzare i farmaci e poi ad incorporarli nel dispositivo. Ciò consente alle molecole del farmaco di essere impacchettate molto strettamente, consentendo la miniaturizzazione del dispositivo di rilascio del farmaco. Un altro vantaggio è che i cristalli impiegano molto tempo per dissolversi, consentendo la somministrazione di farmaci a lungo termine. Non tutti i farmaci possono essere facilmente cristallizzati, ma i ricercatori hanno scoperto che l'inibitore del recettore CSF-1 che stavano usando può formare cristalli e che potevano controllare la dimensione e la forma dei cristalli, che determina quanto tempo impiega il farmaco a degradarsi una volta nel corpo.

"Abbiamo dimostrato che i farmaci vengono rilasciati molto lentamente e in modo controllato, " dice Farah. "Abbiamo preso quei cristalli e li abbiamo messi in diversi tipi di dispositivi e abbiamo mostrato che con l'aiuto di quei cristalli, possiamo permettere che il dispositivo medico sia protetto a lungo, permettendo al dispositivo di continuare a funzionare."

Cellule di isole incapsulate

Per verificare se queste formulazioni cristalline di farmaci potrebbero aumentare l'efficacia delle cellule delle isole incapsulate, i ricercatori hanno incorporato i cristalli del farmaco in sfere di alginato del diametro di 0,5 millimetri, che usavano per incapsulare le cellule. Quando queste sfere sono state trapiantate nell'addome o sotto la pelle di topi diabetici, sono rimasti privi di fibrosi per più di un anno. Durante questo periodo, i topi non avevano bisogno di iniezioni di insulina, poiché le cellule delle isole erano in grado di controllare i loro livelli di zucchero nel sangue proprio come farebbe normalmente il pancreas.

"In the past three-plus years, our team has published seven papers in Natura journals—this being the seventh—elucidating the mechanisms of biocompatibility, "dice Robert Langer, il David H. Koch Institute Professor al MIT e autore dell'articolo. "These include an understanding of the key cells and receptors involved, optimal implant geometries and physical locations in the body, e adesso, in this paper, specific molecules that can confer biocompatibility. Presi insieme, we hope these papers will open the door to a new generation of biomedical implants to treat diabetes and other diseases."

The researchers believe that it should be possible to create crystals that last longer than those they studied in these experiments, by altering the structure and composition of the drug crystals. Such formulations could also be used to prevent fibrosis of other types of implantable devices. In questo studio, the researchers showed that crystalline drug could be incorporated into PDMS, a polymer frequently used for medical devices, and could also be used to coat components of a glucose sensor and an electrical muscle stimulation device, which include materials such as plastic and metal.

"It wasn't just useful for our islet cell therapy, but could also be useful to help get a number of different devices to work long-term, "dice Anderson.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.