Immagine al microscopio delle cellule utilizzate per testare le nanoparticelle. Le cellule qui sono geneticamente modificate per diventare fluorescenti nei punti in cui vengono aperti gli endosomi che trasportano le nanoparticelle nella cellula. Credito:Jordan Green; Medicina Johns Hopkins
I ricercatori della Johns Hopkins Medicine hanno sviluppato un test con codice colore che segnala rapidamente se le nanoparticelle di nuova concezione, compartimenti ultra piccoli progettati per trasportare medicinali, vaccini e altre terapie, trasportano il loro carico nelle cellule bersaglio. Storicamente, le nanoparticelle hanno una velocità di consegna molto bassa al citosol, il compartimento interno delle cellule, rilasciando solo circa l'1%-2% del loro contenuto. Il nuovo strumento di test, progettato specificamente per testare le nanoparticelle, potrebbe far avanzare la ricerca di farmaci biologici di prossima generazione. La tecnologia si basa su nanoparticelle attualmente utilizzate contro il cancro e le malattie degli occhi e nei vaccini per virus tra cui SARS-CoV-2, il virus che causa COVID-19.
I ricercatori riportano i dettagli dello strumento, testato su cellule di topo cresciute in laboratorio e su topi vivi, nel numero del 5 gennaio di Science Advances .
"Molti degli attuali strumenti di valutazione per le nanoparticelle testano solo se una nanoparticella raggiunge una cellula, non se la terapia può sfuggire con successo all'ambiente degradativo dell'endosoma per raggiungere l'interno del citosol della cellula, che è dove il medicinale deve essere posizionato per prestazioni", afferma Jordan Green, Ph.D., professore di ingegneria biomedica presso la Johns Hopkins University School of Medicine. Il nuovo strumento è stato creato per tenere traccia della posizione e del rilascio di nanoparticelle, ha affermato.
Ricerche precedenti hanno stimato che solo l'1%-2% circa delle nanoparticelle "mangiate" dalle cellule sono in grado di sfuggire ai compartimenti cellulari che le intrappolano per evitare di essere digerite o "sputate indietro". Oltre alle proprietà del suo carico, le proprietà chimiche di una nanoparticella determinano se è accettata da una cellula e in grado di eludere le sue difese cellulari.
Per superare tali ostacoli alla consegna finale, Green e il suo team hanno progettato uno strumento di screening che valuta centinaia di formulazioni di nanoparticelle sulla loro capacità non solo di raggiungere una cellula, ma anche dell'efficienza con cui la nanoparticella può fuggire con il suo carico per raggiungere l'interno di una cellula.
Il test utilizza cellule di topo cresciute in laboratorio che sono geneticamente modificate per trasportare un marcatore fluorescente chiamato Gal8-mRuby, che brilla di rosso arancio quando un involucro cellulare che avvolge una nanoparticella si apre, rilasciando il suo carico nella cellula.
Le immagini del processo vengono quindi analizzate da un programma per computer che traccia rapidamente la posizione delle nanoparticelle utilizzando una luce fluorescente rossa e quantifica l'efficacia delle nanoparticelle nell'essere rilasciate nella cellula valutando la quantità di luce fluorescente rosso-arancione. Utilizzando questa tecnica, un laboratorio può selezionare centinaia di nanoparticelle uniche per la consegna in poche ore, con informazioni dettagliate sull'assorbimento delle nanoparticelle e sulla consegna del loro carico.
In esperimenti sui topi, Green e il suo team hanno somministrato nanoparticelle biodegradabili che trasportano mRNA che codificano un gene chiamato luciferasi, che fa brillare le cellule. I ricercatori hanno quindi verificato se le cellule del topo accettavano il gene e iniziavano a esprimerlo, illuminando le cellule bersaglio come un fulmine.
Il team di Green ha scoperto che le nanoparticelle con le migliori prestazioni nei test cellulari avevano un'elevata correlazione positiva con le prestazioni di consegna del gene delle nanoparticelle nei topi vivi, dimostrando che il dosaggio delle nanoparticelle è un buon predittore di una consegna del carico di successo.
In ulteriori studi sui topi, i ricercatori hanno scoperto che diverse combinazioni di gruppi chimici nelle nanoparticelle a base di polimeri hanno portato le nanoparticelle a colpire diversi tipi di tessuto. Analizzando il comportamento delle particelle nel corpo del topo, i ricercatori hanno scoperto che le proprietà chimiche dei polimeri potrebbero indirizzare la terapia genica delle nanoparticelle verso specifiche cellule bersaglio, come le cellule endoteliali nei polmoni o le cellule B nella milza.
"Mettendo a punto piccoli cambiamenti chimici, possiamo guidare una nanoparticella verso tessuti specifici e persino cellule specifiche", ha affermato Green. "Questo ci consentirebbe di sviluppare terapie più precise, che potrebbero migliorare sia l'efficacia che la sicurezza."
La somministrazione di nanoparticelle di farmaci biologici è un campo in crescita, in particolare per le terapie geniche e i vaccini.
Altri ricercatori coinvolti nello studio includono Yuan Rui, David R. Wilson, Stephany Y. Tzeng, Hannah M. Yamagata, Deepti Sudhakar, Cynthia A. Berlinicke e Donald J. Zack della Johns Hopkins University School of Medicine; Marranne Conge della Johns Hopkins University School of Medicine e del Berea College; e Antonio Tuesca di AstraZeneca. + Esplora ulteriormente
