Un team di ricerca multi-istituto ha utilizzato nanocristalli di cellulosa pelosa, sviluppati dal componente principale delle pareti cellulari delle piante e utilizzati in una varietà di materiali, inclusa la carta, per catturare farmaci chemioterapici fuori bersaglio per prevenire danni ai tessuti. Credito:Kate Myers/Penn State
Le chemioterapie standard possono uccidere efficacemente le cellule tumorali, ma rappresentano anche rischi significativi per le cellule sane, con conseguente malattia secondaria e una ridotta qualità della vita per i pazienti. Per prevenire il danno precedentemente inevitabile, i ricercatori, guidati da Penn State, hanno sviluppato una nuova classe di nanomateriali progettati per catturare i farmaci chemioterapici prima che interagiscano con i tessuti sani.
"Per ridurre gli effetti fuori bersaglio dei farmaci antitumorali durante e dopo la chemioterapia localizzata, è necessario eliminare la loro circolazione sistemica", ha affermato il ricercatore principale Amir Sheikhi, assistente professore di ingegneria chimica e ingegneria biomedica alla Penn State. "Le piattaforme disponibili e proposte per rimuovere i farmaci indesiderati - principalmente il farmaco chemioterapico doxorubicina (DOX) - dal sangue sono estremamente inefficaci, poiché non riescono a rimuovere una quantità sufficiente di farmaco per prevenire danni. Abbiamo sviluppato un approccio altamente efficiente che cattura la DOX a una capacità maggiore superiore del 3.200% rispetto ad altre piattaforme, come i materiali basati sul DNA."
Il metodo, ora disponibile online prima del numero di marzo di Materials Today Chemistry , si basa su nanocristalli di cellulosa pelosa, nanoparticelle sviluppate dal componente principale delle pareti cellulari delle piante e progettate per avere un numero immenso di "peli" di catena polimerica che si estendono da ciascuna estremità. Secondo Sheikhi, questi peli aumentano significativamente la potenziale capacità di cattura dei farmaci dei nanocristalli oltre a quella delle nanoparticelle convenzionali e delle resine a scambio ionico.
"Per quanto ne sappiamo, attualmente non esiste un sistema di cattura di farmaci a super capacità basato su nanoparticelle", ha affermato Sheikhi, osservando che lo sviluppo di un tale sistema potrebbe avere un impatto significativo sui piani di trattamento del cancro. "Per alcuni organi, come il fegato, la chemioterapia può essere somministrata localmente attraverso cateteri. Se potessimo posizionare un dispositivo basato sui nanocristalli per catturare i farmaci in eccesso che escono dalla vena cava inferiore del fegato, un importante vaso sanguigno, i medici potrebbero potenzialmente somministrare dosi più elevate di chemioterapia per uccidere il cancro più rapidamente senza preoccuparsi di danneggiare le cellule sane. Una volta terminato il trattamento, il dispositivo potrebbe essere rimosso."
Per produrre i nanocristalli di cellulosa pelosa in grado di catturare i farmaci chemioterapici, i ricercatori hanno trattato chimicamente le fibre di cellulosa presenti nella polpa di legno tenero e hanno conferito una carica negativa ai peli, rendendoli stabili contro la composizione ionica del sangue. Secondo Sheikhi, ciò corregge un difetto delle nanoparticelle convenzionali, la cui carica può essere resa inerte o ridotta se esposta al sangue, limitando il numero di molecole di farmaco con carica positiva con cui può legarsi a numeri insignificanti.
L'efficacia di legame dei nanocristalli è stata testata nel siero umano, la porzione di sangue ricca di proteine che non contiene globuli rossi o bianchi o piastrine. Per ogni grammo di nanocristalli di cellulosa pelosa, più di 6.000 milligrammi di DOX sono stati effettivamente rimossi dal siero.
"I nanocristalli pelosi ci hanno permesso di spingere il limite di almeno due o tre ordini di grandezza rispetto ad altre piattaforme disponibili", ha detto Sheikhi.
I ricercatori hanno anche scoperto che i nanocristalli non hanno avuto effetti dannosi sui globuli rossi nel sangue intero o sulla crescita cellulare nelle cellule endoteliali della vena ombelicale umana.
"Abbiamo scoperto che i nanocristalli di cellulosa pelosa si legano ai farmaci con carica positiva nel siero umano e catturano immediatamente il DOX, e lo fanno senza imporre alcuna citotossicità o effetti emolitici", ha affermato Sheikhi. "Prevediamo che questa nanoparticella efficace e non tossica potrebbe essere un elemento costitutivo per la prossima generazione di dispositivi per catturare i farmaci in eccesso e rimuovere le molecole indesiderate dal corpo, come sostanze psichedeliche e tossine".
Secondo Sheikhi, l'uso di nanocristalli di cellulosa pelosa ha implicazioni di vasta portata oltre il corpo. Il suo team ha recentemente progettato nanocristalli in grado di legarsi selettivamente al neodimio, un elemento di terre rare, per salvare materiale prezioso dai rifiuti elettronici.
"Siamo entusiasti di presentare un nuovo materiale con una capacità così elevata di separare una varietà di elementi, che si spera apra nuove opportunità per un'ampia gamma di applicazioni", ha affermato Sheikhi.
Sheikhi ha iniziato questo lavoro come borsista post-dottorato presso l'Università della California, Los Angeles, nel laboratorio di Ali Khademhosseini, ora amministratore delegato del Terasaki Institute for Biomedical Innovation. Altri contributori di Penn State includono Joy Muthami e Patricia Wamea, entrambe neolaureate in ingegneria chimica; e Mica Pitcher, dottoranda in chimica. I contributori dell'UCLA includono Sarah AE Young, Peter Antovski, Robert Denis Murphy, Andrew Schmidt, Samuel Clark e, per una parte della ricerca, Reihaneh Haghniaz. Haghniaz è ora affiliato al Terasaki Institute for Biomedical Innovation. + Esplora ulteriormente
