Gli inalatori a base di steroidi forniscono farmaci salvavita a milioni di malati di asma, fornendo sollievo e la capacità di respirare semplicemente. Sfortunatamente, gli inalatori non funzionano per tutti i pazienti, e con tassi in aumento per una malattia che porta a centinaia di migliaia di morti in tutto il mondo ogni anno, sono necessari nuovi trattamenti e strategie per l'asma.

Un team di ricercatori UConn, tra cui assistente professore di chimica presso il College of Liberal Arts and Sciences Jessica Rouge e professore associato di patobiologia presso il College of Agriculture, Salute, e le risorse naturali Steven Szczepanek stanno collaborando allo sviluppo di nuove terapie per l'asma utilizzando nanocapsule di silenziamento genico nel tentativo di aiutare i pazienti che non stanno beneficiando dei trattamenti esistenti. La loro ricerca è stata pubblicata in ACS Nano .

"Quando si tratta l'asma, molte persone pensano ai farmaci antinfiammatori a piccole molecole come la strada da percorrere, ma ci sono molti pazienti che hanno l'asma che non rispondono ai corticosteroidi, " dice Rouge. "C'è un bisogno insoddisfatto per la creazione di diverse terapie che possono sopprimere l'asma per questo gruppo di persone".

Il gruppo di ricerca di Rouge, compresi i coautori Ph.D. studente Shraddha Sawant e Alyssa Hartmann '20 Ph.D., progetta nanomateriali e terapie mirate che inviano messaggi di silenziamento genico alle cellule. Questo documento descrive in dettaglio una nanocapsula di acido nucleico (NAN) progettata per fornire selettivamente un enzima, chiamato DNAzyme, silenziare una componente della risposta immunitaria, chiamato GATA-3, che porta alla sovraespressione di componenti immunitarie che svolgono un ruolo significativo negli attacchi di asma allergico.

Szczepanek spiega che ci sono diversi tipi di asma, e questa tecnologia è progettata per trattare specificamente l'asma allergico, che costituisce circa il 50% dei casi negli adulti e il 90% nei bambini. I trattamenti a base di GATA-3 stanno già mostrando risultati promettenti negli studi clinici, e Rouge dice che accoppiando la sequenza con la nanotecnologia, sperano di fornire mezzi più efficienti di consegna e trattamento direttamente alla fonte dell'infiammazione.

"Quando si utilizzano i nanomateriali, cerchiamo di amministrare la terapia in un modo che ci permetta di utilizzare meno materiali per ottenere un effetto maggiore, "dice Rouge.

Il loro sistema si basa su tensioattivi che si assemblano in micelle, simili a minuscole bolle, e avviene in un processo graduale, risultando in ciascuna delle dimensioni di circa 60 nanometri.

"Primo, sintetizziamo qualcosa chiamato tensioattivo, è molto simile al sapone e forma essenzialmente una bolla su scala nanometrica. Quindi modifichiamo la chimica superficiale di questa bolla in modo che possa coniugarsi o connettersi al DNA. Il prossimo passo, e ciò che è unico nel nostro laboratorio, usiamo enzimi per costruire il pezzo successivo per attaccare la sequenza di DNA che essenzialmente taglia l'mRNA che codifica GATA-3, "dice Rouge.

Le nanocaspule sono state quindi caratterizzate e controllate se potevano scindere le linee cellulari bersaglio dell'acido nucleico in vitro ei risultati sono stati promettenti.

"Abbiamo mostrato che queste sequenze di silenziamento genico sono state consegnate in modo efficace utilizzando la nostra formulazione e abbiamo visto che hanno abbattuto il bersaglio genetico di interesse. È stato un primo passo entusiasmante, "dice Rouge.

Rouge ha portato i dati a Szczepanek per vedere se il suo gruppo di ricerca, compresi i coautori e gli studenti laureati Tyler Gavitt '21 Ph.D. e Arlind Mara '21 Ph.D., che studiano i patogeni respiratori e la patologia della malattia, sarebbe interessato a collaborare alle prossime fasi della ricerca per vedere come la tecnologia si comporta in vivo e se potrebbe essere di rilevanza clinica.

Avendo studiato l'asma come parte della sua ricerca post-dottorato, e con il suo laboratorio attrezzato per compiere i passi successivi, Szczepanek afferma che la collaborazione è stata una scelta naturale.

"Ho pensato che questa tecnologia di silenziamento genico fosse un'applicazione fantastica per una terapia per l'asma".

I ricercatori hanno testato l'efficacia di GATA-3 DNAzyme-NAN in un modello di topo allergico con asma sensibile agli acari della polvere domestica. I risultati hanno mostrato che i polmoni dei topi trattati con le NAN avevano meno danni infiammatori rispetto al gruppo di controllo non trattato. Il trattamento ha anche ridotto la presenza di cellule immunitarie infiammatorie, chiamati eosinofili, che contribuiscono all'ostruzione delle vie aeree (vedi barra laterale).

"Non solo abbiamo visto una sostanziale riduzione dei fenotipi dell'asma nel nostro modello murino, ma abbiamo testato i GATA-3 DNAzyme-NAN nei globuli bianchi umani e abbiamo visto sia l'assorbimento delle nanoparticelle che l'abbattimento dell'espressione del gene di interesse. Questa combinazione di dati mi fa davvero sperare sul potenziale traslazionale delle nanoparticelle per la salute umana, " dice Szczepanek.

Rouge sottolinea un altro dettaglio importante:"In generale, quando mettiamo le nanoparticelle nei nostri polmoni, potresti pensare che possano causare infiammazione. Però, eravamo davvero entusiasti che alle dosi che usavamo, il nanocarrier da solo non ha causato infiammazione".

"Credo che il nostro nanocostrutto unico sia molto promettente nel campo della somministrazione di oligonucleotidi, " dice Sawant. "Sono felice di far parte di questa ricerca collaborativa in quanto segna l'inizio dello sviluppo del NAN come un efficace nanocarrier in vivo".

Rouge dice che il prossimo passo è sperare di ottenere finanziamenti NIH per continuare la ricerca:"Vogliamo capire, Dove vanno a finire queste nanocapsule? Dobbiamo fare uno studio sulla biodistribuzione e altri logici passi successivi, come la farmacocinetica e determinare quanto tempo queste terapie durano in un organismo".

I ricercatori hanno recentemente ottenuto un brevetto per la formulazione di nanocapsule, e sperano di commercializzarlo. Szczepanek spiega che il team prevede che, infine, la tecnologia potrebbe essere consegnata al paziente tramite un inalatore, come gli attuali farmaci per l'asma sono e, dipende esattamente da come è formulato, che potrebbe colpire l'infiammazione attiva o agire come misura profilattica. Rouge aggiunge che questa tecnologia ha il potenziale per essere personalizzabile.

"Il tema principale è che persone diverse rispondono in modo diverso alle malattie in generale, quindi c'è il potenziale per la medicina personalizzata. Stiamo guardando verso un cambiamento di paradigma perché se conosci la genetica di qualcuno in termini di intensità o sovraespressione di un particolare gene o se è sovraregolato, potremmo trattarlo o almeno deprimerlo."

Quali sono le cause di un attacco d'asma?

Szczepanek spiega che l'asma allergica si verifica quando il sistema immunitario diventa sensibilizzato a qualcosa di onnipresente e generalmente innocuo nell'ambiente, come gli acari della polvere domestica.

"La sensibilizzazione spinge la componente della memoria delle nostre cellule T in quello che viene chiamato un fenotipo Th2. Le cellule T fanno parte del nostro sistema immunitario adattativo che "ricordano" la precedente esposizione a uno stimolo contro cui abbiamo dovuto montare una risposta immunitaria. Di solito si tratta di batteri e virus, che è una buona cosa, visto che vogliamo ricordare agenti patogeni come l'influenza, Per esempio. Ma non va bene quando stai allestendo una risposta immunitaria contro la polvere che è sempre nell'aria, perché può portare ad alcuni effetti collaterali piuttosto gravi".

Gli esiti e la gravità variano da persona a persona, dice Szczepanek.

"Vediamo l'infiammazione delle vie aeree derivante da più cellule immunitarie che si fanno strada negli spazi aerei, e questo ridurrà le vie aeree. Quelle cellule attivano le cellule caliciformi nelle vie aeree, quali sono le cellule che producono muco e quando iperattivi queste cellule caliciformi, ottieni tonnellate di muco che entrano nelle vie aeree che sono già infiammate e quindi costrittive. Ciò crea sempre più problemi e riduce la capacità di un asmatico di respirare durante un attacco d'asma. E poi infine, hai anche broncocostrizione, che accade quando lo strato di muscolatura liscia che circonda i bronchioli dei polmoni si restringe. È un problema di salute pubblica significativo perché una parte molto ampia della popolazione è suscettibile di sviluppare l'asma".