Le nanoparticelle sono attivamente impiegate in medicina come agenti di contrasto, nonché per la diagnosi e la terapia di varie malattie. Però, lo sviluppo di nuovi nanoagenti multifunzionali è ostacolato dalla difficoltà di monitorare la loro circolazione sanguigna. Ricerche dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, l'Istituto Shemyakin-Ovchinnikov di chimica bioorganica di RAS, Istituto di fisica ingegneristica di Mosca, Istituto di fisica generale Prokhorov della RAS, e la Sirius University hanno sviluppato un nuovo metodo non invasivo di misurazione delle nanoparticelle nel flusso sanguigno che vanta un'elevata risoluzione temporale. Questa tecnica ha rivelato i parametri di base che influenzano la vita delle particelle nel flusso sanguigno, che potrebbe potenzialmente portare alla scoperta di nuovi, nanoagenti più efficaci da utilizzare in biomedicina. I risultati dello studio sono stati pubblicati nel Giornale del Rilascio Controllato .

Le applicazioni cliniche delle nanoparticelle (NP) richiedono un'analisi accurata del loro comportamento in vivo, in particolare la durata della permanenza delle NP nel flusso sanguigno. È il parametro che determina se c'è abbastanza tempo perché l'NP si diffonda in tutto il corpo, raggiungere il loro obiettivo terapeutico (es. un tumore), e legarsi ad esso. In alternativa, il tempo di circolazione eccessivamente lungo può portare all'accumulo delle particelle nei tessuti sani, aumentando così la loro tossicità secondaria.

La circolazione di NP nel flusso sanguigno viene solitamente studiata attraverso il prelievo di campioni di sangue e la misurazione del contenuto di nanoagenti. "Il problema di tali tecniche è che le particelle vengono spesso eliminate dal flusso sanguigno in pochi minuti, quindi il ricercatore è in grado di prelevare solo due o tre campioni di sangue, che è insufficiente per l'analisi, " ha commentato il coautore dello studio Maxim Nikitin, che dirige il Nanobiotechnology Lab al MIPT.

A parte quello, ripetuti prelievi di sangue sono stressanti per l'organismo e possono influenzare indirettamente la circolazione delle particelle. I nuovi metodi non invasivi di monitoraggio dell'attività delle particelle in vivo sono quindi cruciali per lo sviluppo della nanomedicina.

I ricercatori hanno utilizzato il metodo di quantificazione delle particelle magnetiche (MPQ) sviluppato da loro per effettuare misurazioni non invasive della cinetica delle particelle di sangue. Le code di topi o conigli sono state inserite nella bobina di rilevamento del lettore MPQ, poi gli animali sono stati iniettati con le nanoparticelle, e la concentrazione di NP nelle vene e nelle arterie della coda è stata monitorata in tempo reale. Questa tecnologia può essere utilizzata anche con gli esseri umani, e. G., tramite le mani o i polpastrelli inseriti nella bobina di rilevamento.

Il nuovo metodo offre un modo non invasivo per ottenere informazioni uniche sulla cinetica delle particelle che è anche più semplice degli approcci tradizionali. Consente un'ulteriore esplorazione di ciò che potrebbe influenzare il comportamento delle particelle nel flusso sanguigno degli animali.

I ricercatori hanno studiato tre gruppi di fattori, tra cui le proprietà fisico-chimiche delle particelle, le particolarità della loro amministrazione, e lo stato del corpo dell'animale. La NP carica negativa di dimensioni più piccole iniettata a dosi più elevate è rimasta più a lungo nel flusso sanguigno. È stato anche scoperto che se le particelle vengono iniettate ripetutamente nel sangue, la circolazione delle successive dosi di particelle diventa significativamente prolungata.

"Ci sono casi simili nella pratica clinica quando un paziente viene inizialmente iniettato con agenti di contrasto per risonanza magnetica a nanoparticelle (particelle magnetiche) e poi con NP terapeutiche come i liposomi che trasportano farmaci. Abbiamo dimostrato che le particelle possono influenzarsi a vicenda, che possono influenzare il trattamento, ", ha affermato l'autore dello studio, Ivan Zelepukin, un ricercatore presso l'Accademia Russa delle Scienze Istituto di Chimica Bioorganica e MIPT.

Quello che sembrava essere uno degli aspetti chiave era lo stato dell'organismo in cui era stato iniettato NP. Ad esempio, la circolazione delle particelle potrebbe variare in modo significativo tra i topi di diversi ceppi genetici. In particolare, questa differenza era evidente solo per piccole particelle da 50 nanometri ma non per nanoagenti più grandi. Oltretutto, se l'animale aveva un grosso tumore, piccoli NP sono stati eliminati dal sangue più rapidamente; più grande era il tumore del cancro, minore è il tempo impiegato per la rimozione del sangue.

I ricercatori presumono che ciò possa essere collegato a cambiamenti dinamici nel sistema immunitario e alla sua maggiore capacità di riconoscere corpi estranei in risposta alla patologia. Questi risultati attirano l'attenzione sull'importanza di considerare l'impatto delle condizioni dell'organismo sull'efficacia delle nanoparticelle nella progettazione dei nanofarmaci ottimali, un aspetto che è stato tradizionalmente ignorato.

"Questa è la prima volta che viene condotto uno studio così completo di NP con un tasso di clearance estremamente elevato. Sarebbe stato impossibile senza la metodologia che è stata sviluppata presso il General Physics Institute of RAS. La tecnica MPQ combina un'elevata sensibilità, alta risoluzione temporale, e precisione quantitativa. A parte quello, non è invasivo e consente il rilevamento del contenuto di NP quasi in tempo reale, " disse Petr Nikitin, coautore dello studio e capo del Laboratorio di Biofotonica presso l'Istituto di Fisica Generale della RAS.

"Il nostro metodo ci ha permesso di rilevare nuovi modelli di circolazione e ottenere una grande quantità di informazioni preziose. Ad esempio, abbiamo scoperto che gli animali avevano dinamiche particellari differenti a seconda del loro stato immunitario, presenza di tumori, ecc. Nel frattempo, la metodologia avanzata richiedeva molti meno animali per lo studio. Ciò è essenziale non solo in termini di tempo e denaro, ma anche per l'etica del trattamento degli animali in linea con il principio delle 3R (Sostituzione, Riduzione e Affinamento). We assume that a deeper understanding of the underlying mechanisms may considerably facilitate the rational design of nanomaterials with advanced surface functionality and superior pharmacokinetics for the next generation diagnostics and therapeutics."