I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e i loro colleghi dell'Istituto di chimica bioorganica Shemyakin-Ovchinnikov e dell'Istituto di fisica generale Prokhorov dell'Accademia delle scienze russa hanno sviluppato una tecnologia rivoluzionaria per risolvere un problema chiave che ha impedito l'introduzione di nuovi farmaci in pratica clinica da decenni. La nuova soluzione prolunga la circolazione sanguigna praticamente per qualsiasi nanomedicina, aumentandone l'efficacia terapeutica. Lo studio dei ricercatori russi è stato pubblicato su Ingegneria biomedica della natura e presenti nella sezione News &Views della rivista.

Lo sviluppo della chimica medica dalla fine del XIX secolo ha portato al passaggio dalla medicina tradizionale ai farmaci con formule chimiche rigorosamente definite. Nonostante abbia circa 150 anni, questo paradigma è ancora alla base della maggioranza assoluta dei farmaci moderni. Le loro molecole attive tendono a svolgere una semplice funzione:attivare o disattivare un determinato recettore.

Però, dagli anni '70, molti laboratori hanno perseguito farmaci di nuova generazione che implementerebbero più azioni complesse contemporaneamente, Per esempio, identificare le cellule tumorali attraverso una serie di segnali biochimici, segnalando la posizione del tumore al medico, e successivamente distruggendo tutte le cellule maligne tramite tossine e riscaldamento.

Poiché una molecola non può svolgere tutte queste funzioni, una struttura supramolecolare più ampia, o una nanoparticella, è obbligatorio. Però, nonostante l'enorme varietà di nanomateriali sviluppati fino ad oggi, solo i più semplici con funzioni altamente specifiche sono entrati nella pratica clinica. Il problema principale nell'utilizzo delle nanoparticelle terapeutiche ha a che fare con l'incredibile efficienza del sistema immunitario. Nel corso dei millenni, l'evoluzione ha perfezionato la capacità del corpo umano di eliminare entità estranee di dimensioni nanometriche, dai virus alle particelle di fumo.

Quando somministrato in dosi ragionevoli, la maggior parte delle nanoparticelle artificiali viene eliminata dal flusso sanguigno dal sistema immunitario in pochi minuti o addirittura secondi. Ciò significa che non importa quanto siano sofisticati i farmaci, la maggior parte della dose non avrà nemmeno la possibilità di entrare in contatto con il bersaglio, ma influenzerà i tessuti sani, di solito in modo tossico.

Nel loro recente articolo, un team di ricercatori russi guidati da Maxim Nikitin, che dirige il Nanobiotechnology Lab al MIPT, ha proposto una tecnologia universale rivoluzionaria che prolunga in modo significativo la circolazione sanguigna e migliora l'efficienza terapeutica di diversi nanoagenti senza che sia necessaria la loro modifica.

La tecnologia sfrutta il fatto che il sistema immunitario elimina continuamente i vecchi, globuli rossi "scaduti" - circa l'1% al giorno negli esseri umani - dal flusso sanguigno. "Abbiamo ipotizzato che intensificando leggermente questo processo naturale, potremmo ingannare il sistema immunitario. Mentre si occupa di eliminare i globuli rossi, meno attenzione viene data alla clearance delle nanoparticelle terapeutiche. È importante sottolineare che volevamo distrarre il sistema immunitario nel modo più delicato, idealmente attraverso i meccanismi innati del corpo piuttosto che da sostanze artificiali, "Ha detto Maxim Nikitin.

Il team ha trovato una soluzione elegante, che prevedeva l'iniezione di topi con anticorpi specifici per i globuli rossi. Queste molecole costituiscono la base del sistema immunitario dei mammiferi. Riconoscono le entità che devono essere rimosse dal corpo, in questo caso globuli rossi. L'ipotesi si è rivelata giusta, e una piccola dose di anticorpi - 1,25 milligrammi per chilogrammo di peso corporeo - si è rivelata molto efficace, estendendo la circolazione sanguigna delle nanoparticelle decine di volte. Il compromesso è stato molto moderato, con i topi che mostrano un calo del 5% dei livelli di globuli rossi, che è la metà di quella che si qualifica come anemia.

I ricercatori hanno scoperto che il loro approccio, chiamato citoblocco del sistema dei fagociti mononucleati, era universalmente applicabile a tutte le nanoparticelle. Ha prolungato i tempi di circolazione per minuscoli punti quantici che misurano solo 8 nanometri, particelle di 100 nanometri su scala media, e grandi micron, così come i nanoagenti più avanzati approvati per l'uso sull'uomo, liposomi "stealth" rivestiti di polimero mascherati da un rivestimento in glicole polietilenico altamente inerte per nascondersi dal sistema immunitario. Allo stesso tempo, il citoblocco non altera la capacità dell'organismo di respingere i batteri (microparticelle naturali) nel flusso sanguigno, sia a piccole dosi che in caso di sepsi.

Esiste un'ampia gamma di applicazioni delle nanoparticelle rese possibili dalla nuova tecnologia. In una serie di esperimenti sui topi, i ricercatori hanno ottenuto un notevole miglioramento nella cosiddetta somministrazione attiva di nanoagenti alle cellule.

Si tratta di nanoparticelle dotate di una molecola speciale per riconoscere le cellule bersaglio. Un esempio potrebbe essere l'uso dell'anticorpo contro il recettore CD4 che identifica le cellule T. La somministrazione di farmaci a queste cellule sarebbe utile per il trattamento di malattie autoimmuni e di altro tipo. L'induzione di un citoblocco nei topi ha prodotto un aumento del tempo di circolazione delle nanoparticelle dai soliti tre-cinque minuti a oltre un'ora. Senza il citoblocco, la liquidazione è stata troppo rapida, e non è stato possibile ottenere alcun legame della cellula bersaglio, ma dopo il citoblocco, gli agenti hanno mostrato un'efficienza mirata eccezionalmente elevata alla pari di quella ottenuta in vitro. L'esperimento mette in luce le enormi potenzialità della nuova tecnologia, non solo per migliorare le prestazioni di agenti di dimensioni nanometriche, ma per abilitare quelli precedentemente completamente inefficienti in vivo.

Il team ha continuato a dimostrare l'applicabilità della loro tecnologia alla terapia del cancro, con il citoblocco che consente un rilascio guidato magneticamente fino a 23 volte più efficiente di nanoparticelle al tumore. Questa tecnica di consegna utilizza un campo magnetico per guidare, concentrare e trattenere gli agenti magnetici all'interno di un tumore per ridurre la tossicità sistemica. Tale consegna è disponibile per le nanoparticelle ma non per le molecole. Lo studio riporta un'efficace terapia del melanoma utilizzando liposomi caricati con magnetite e il farmaco chemioterapico doxorubicina, che erano completamente inefficaci senza l'uso di anticorpi contro i globuli rossi. È stato dimostrato un migliore rilascio magnetico per cinque tipi di tumori di diversa natura, compresi melanoma e cancro al seno.

"Abbiamo osservato una migliore somministrazione di nanoagente con ogni tipo di cancro per il quale abbiamo condotto esperimenti. È particolarmente importante che il metodo abbia funzionato su cellule tumorali umane introdotte nei topi, ", ha affermato il coautore dello studio Ivan Zelepukin, ricercatore junior presso il RAS Institute of Bioorganic Chemistry e MIPT.

In particolare, la nuova tecnologia ha consentito un miglioramento terapeutico per un agente liposomiale disponibile in commercio approvato per l'uso sull'uomo. Ciò significa che il citoblocco apre nuove opportunità terapeutiche migliorando anche i trattamenti esistenti.

Gli autori dell'articolo affermano che le prestazioni migliorate delle nanoparticelle erano strettamente correlate al prolungamento del tempo di circolazione del sangue. Tale correlazione potrebbe essere stabilita utilizzando un metodo altamente sensibile di quantificazione delle particelle magnetiche sviluppato dal team. Consente di rilevare la cinetica dell'eliminazione delle particelle dal flusso sanguigno in modo non invasivo, ovvero senza prelevare sangue.

"Quel metodo ha fatto di più che consentirci di effettuare misurazioni in tempo reale del contenuto di particelle nel flusso sanguigno. Ha consentito l'intero studio, perché non sarebbe stato possibile misurare un numero così enorme di profili cinetici delle nanoparticelle utilizzando qualsiasi altro metodo esistente in un tempo ragionevole, " disse Petr Nikitin, coautore dello studio e capo del Laboratorio di Biofotonica presso l'Istituto di Fisica Generale della RAS.

La tecnologia di nuova concezione è particolarmente promettente in termini di traduzione per uso clinico, perché gli anticorpi anti-D, che si legano ai globuli rossi RhD-positivi, sono stati a lungo approvati per il trattamento della trombocitopenia immunitaria e la prevenzione della malattia rhesus. Perciò, la valutazione della nuova tecnologia nell'uomo può iniziare nel prossimo futuro utilizzando i farmaci già approvati.

"Non c'è dubbio che l'azione combinata dei nanomedicinali con gli attuali anticorpi anti-D o anti-RBC migliorati della prossima generazione dovrebbe essere esaminata in rigorosi test clinici. Tuttavia, siamo molto ottimisti su questa tecnologia e le sue applicazioni a malattie gravi che richiedono la somministrazione mirata di farmaci, compreso il cancro, " ha aggiunto Maxim Nikitin. "Ora che questo complesso studio di sette anni è stato pubblicato, faremo ogni sforzo per tradurlo nella pratica clinica. Per questa ragione, cerchiamo collaboratori e colleghi attivi interessati ad entrare a far parte del team."

Poiché la tecnologia del citoblocco è universale in termini di nanoagenti compatibili e non richiede la loro modifica, ha il potenziale per diventare sostanzialmente più produttivo della PEGilazione, che è stato sviluppato negli anni '70 e da allora ha dato origine a un'industria multimiliardaria di farmaci a "circolazione prolungata", con dozzine di farmaci clinicamente approvati.

Gli autori ritengono che la tecnologia proposta possa aprire le porte all'uso in vivo dei nanoagenti più avanzati con l'attenzione primaria sulla funzionalità piuttosto che sulle caratteristiche di invisibilità. Nuovi nanomateriali biomedici fabbricati secondo le idee più avanzate nella scienza dei materiali possono essere introdotti istantaneamente nella ricerca scientifica in vivo e quindi rapidamente perfezionati per l'uso clinico.