In lavori che potrebbero avere un impatto importante su diversi settori, dai prodotti farmaceutici ai cosmetici e persino al cibo, gli ingegneri del MIT hanno sviluppato una nuova piattaforma per la somministrazione controllata di alcuni importanti farmaci, nutrienti, e altre sostanze alle cellule umane.

I ricercatori ritengono che il loro approccio semplice, che crea piccole capsule contenenti migliaia di goccioline nanometriche caricate con un farmaco o altro ingrediente attivo, sarà facile passare dal laboratorio all'industria.

I principi attivi di molti prodotti di consumo destinati all'uso nel o sul corpo umano non si dissolvono facilmente in acqua. Di conseguenza, sono difficili da assorbire per il corpo, ed è difficile controllare la loro consegna alle cellule.

Nella sola industria farmaceutica, "Il 40% dei farmaci attualmente commercializzati e il 90% dei farmaci in fase di sviluppo sono idrofobici in quanto la [loro] bassa solubilità in acqua limita notevolmente la loro biodisponibilità ed efficienza di assorbimento, " scrive il team del MIT in un articolo sul lavoro nel numero del 28 agosto della rivista Scienze avanzate .

Nanoemulsioni in soccorso

Quei farmaci e altri principi attivi idrofobici fanno, però, sciogliere nell'olio. Da qui il crescente interesse per le nanoemulsioni, l'equivalente in nanoscala di un condimento per insalata a base di olio e aceto che consiste in minuscole goccioline di olio disperse in acqua. Disciolto in ogni goccia d'olio è il principio attivo di interesse.

Tra gli altri vantaggi, le goccioline cariche di ingrediente possono facilmente passare attraverso le pareti cellulari. Ogni goccia è così piccola che tra 1, 000 a 5, 000 potrebbe adattarsi alla larghezza di un capello umano. (Le loro controparti in macroscala sono troppo grandi per essere attraversate.) Una volta che le goccioline sono all'interno della cellula, il loro carico utile può esercitare un effetto. Le goccioline sono anche eccezionalmente stabili, con conseguente lunga durata di conservazione, e possono trasportare una grande quantità di principio attivo per le loro dimensioni.

Ma c'è un problema:come si incapsula una nanoemulsione in una forma di dosaggio come una pillola? Le tecnologie per farlo sono ancora nascenti.

In uno degli approcci più promettenti, la nanoemulsione è incapsulata in una rete 3D di un gel polimerico per formare piccole perle. Attualmente, però, quando ingerite, quelle perline rilasciano il loro carico utile, le goccioline di olio cariche di ingredienti, tutto in una volta. Non c'è controllo sul processo.

Il team del MIT ha risolto questo problema aggiungendo una shell, o capsula, intorno a grandi goccioline singole di nanoemulsione, ciascuno contenente migliaia di nano goccioline di olio. Quel guscio non solo protegge le nano goccioline all'interno da condizioni fisiologiche dannose nel corpo, ma potrebbe anche essere usato per mascherare il gusto spesso sgradevole dei principi attivi che contengono.

Il risultato è una "pillola" di circa 5 millimetri di diametro con un guscio biodegradabile che a sua volta può essere "sintonizzato" per rilasciare il suo contenuto in momenti specifici. Questo viene fatto modificando lo spessore del guscio. Ad oggi hanno testato con successo il sistema sia con ibuprofene che con vitamina E.

"La nostra nuova piattaforma di consegna può essere applicata a un'ampia gamma di nanoemulsioni, che a loro volta contengono principi attivi che vanno dai farmaci ai nutraceutici e ai filtri solari. Avere questo nuovo controllo su come fornirli apre molte nuove strade in termini di applicazioni future, "dice Patrick Doyle, il professore di ingegneria chimica Robert T. Haslam e autore senior del documento.

I suoi colleghi sul lavoro sono Liang-Hsun Chen, uno studente laureato in ingegneria chimica e primo autore dell'articolo, e Li-Chiun Cheng SM '18, dottorato di ricerca '20, che ha conseguito il dottorato di ricerca. in ingegneria chimica all'inizio di quest'anno ed è ora a LiquiGlide.

Molti vantaggi

La piattaforma MIT ha una serie di vantaggi oltre alla sua semplicità e scalabilità per l'industria. Per esempio, il guscio stesso "è derivato dalle pareti cellulari delle alghe brune, quindi è molto naturale e biocompatibile con i corpi umani, "dice Chen.

Ulteriore, il processo per realizzare la nanoemulsione contenente il suo carico utile è economico perché la semplice agitazione richiesta richiede poca energia. Il processo è anche "davvero delicato, che protegge la molecola [attiva] di interesse, come una droga, " dice Doyle. "Tecniche più dure possono danneggiarli."

Il team ha anche dimostrato la capacità di trasformare la nanoemulsione liquida all'interno di ciascun guscio in un nucleo solido, che potrebbe consentire una varietà di altre applicazioni. Lo hanno fatto aggiungendo un materiale che, quando attivato dalla luce ultravioletta, reticola insieme le goccioline di olio nano.

Per Chen, la parte più eccitante del lavoro è stata preparare le capsule e poi "guardarle scoppiare per rilasciare il loro contenuto nei tempi previsti per cui le ho progettate".

Doyle osserva che da un punto di vista pedagogico, il lavoro "combinava tutti gli elementi fondamentali dell'ingegneria chimica, dalla fluidodinamica all'ingegneria delle reazioni e al trasferimento di massa. E per me è fantastico averli tutti in un unico progetto".

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.