I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato la prima terapia selettiva per prevenire le reazioni allergiche, che possono variare in gravità da orticaria pruriginosa e lacrimazione a problemi respiratori e persino alla morte.
Per sviluppare la nuova terapia, i ricercatori hanno decorato le nanoparticelle con anticorpi in grado di disattivare specifiche cellule immunitarie (chiamate mastociti) responsabili delle risposte allergiche. La nanoparticella trasporta anche un allergene che corrisponde all'allergia specifica del paziente. Se una persona è allergica alle arachidi, ad esempio, la nanoparticella trasporta una proteina di arachidi.
In questo approccio in due fasi, l’allergene attacca i mastociti responsabili dell’allergia specifica, quindi gli anticorpi distruggono solo quelle cellule. Questo approccio altamente mirato consente alla terapia di prevenire selettivamente allergie specifiche senza sopprimere l'intero sistema immunitario.
In uno studio sui topi, la terapia ha dimostrato un successo del 100% nel prevenire le risposte allergiche senza causare effetti collaterali evidenti.
La ricerca è stata pubblicata oggi (16 gennaio) sulla rivista Nature Nanotechnology . Si tratta della prima nanoterapia per inibire i mastociti, prevenendo così una risposta allergica a un allergene specifico.
"Attualmente non esistono metodi disponibili per colpire specificamente i mastociti", ha affermato Evan A. Scott della Northwestern, che ha condotto lo studio. "Tutto quello che abbiamo sono farmaci come gli antistaminici per trattare i sintomi, e questi non prevengono le allergie. Contrastano gli effetti dell'istamina dopo che i mastociti sono già stati attivati.
"Se avessimo un modo per inattivare i mastociti che rispondono a specifici allergeni, allora potremmo fermare le risposte immunitarie pericolose in situazioni gravi come l'anafilassi così come risposte meno gravi come le allergie stagionali."
"Il più grande bisogno insoddisfatto riguarda l'anafilassi, che può essere pericolosa per la vita", ha affermato il dottor Bruce Bochner della Northwestern, esperto di allergie e coautore dello studio. "Alcune forme di immunoterapia orale potrebbero essere utili in alcuni casi, ma al momento non disponiamo di alcuna opzione terapeutica approvata dalla FDA che prevenga costantemente tali reazioni oltre a evitare il cibo o l'agente offensivo. Altrimenti, trattamenti come l'adrenalina vengono somministrati per trattare gravi reazioni, non prevenirle.
"Non sarebbe fantastico se esistesse un trattamento sicuro ed efficace per l'allergia alimentare che consentisse costantemente di reintrodurre nella dieta un alimento che prima dovevi rigorosamente evitare?"
Scott è il professore Kay Davis di ingegneria biomedica presso la McCormick School of Engineering della Northwestern e membro del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology e dell'International Institute for Nanotechnology. Bochner è Samuel M. Feinberg professore emerito di medicina (allergia e immunologia) presso la Feinberg School of Medicine della Northwestern University.
Il primo autore dell'articolo è Fanfan Du, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Scott, che ha lavorato a stretto contatto con i co-primi autori Clayton Rische, un Ph.D. candidato co-mentorato sia da Bochner che da Scott, e da Yang Li, un Ph.D. candidato nel laboratorio Scott.
Situati in quasi tutti i tessuti del corpo umano, i mastociti sono noti soprattutto per essere i principali responsabili delle risposte allergiche. Ma svolgono anche molti altri ruoli importanti, tra cui la regolazione del flusso sanguigno e la lotta ai parassiti. Pertanto, eliminare completamente i mastociti per prevenire reazioni allergiche potrebbe essere dannoso per altre risposte utili e sane.
"Sebbene alcuni farmaci siano in fase di sviluppo, attualmente non esistono farmaci approvati dalla FDA che inibiscano o eliminino i mastociti", ha affermato Bochner. "Ciò è stato difficile soprattutto perché i farmaci che possono influenzare l'attivazione o la sopravvivenza dei mastociti prendono di mira anche cellule diverse dai mastociti, e quindi tendono ad avere effetti collaterali indesiderati a causa dell'influenza su altre cellule."
In un lavoro precedente, Bochner ha identificato Siglec-6, un recettore inibitorio unico che si trova in modo altamente e selettivo sui mastociti. Se i ricercatori potessero colpire quel recettore con un anticorpo, allora potrebbero inibire selettivamente i mastociti per prevenire l’allergia. Ma l'introduzione di questo anticorpo da sola non è stata sufficiente.
"È stato difficile ottenere una concentrazione sufficientemente elevata dell'anticorpo per avere un effetto", ha detto Scott. "Ci siamo chiesti se potessimo migliorare questa concentrazione utilizzando una nanoparticella. Se potessimo impacchettare un'alta densità di anticorpi su una nanoparticella, allora potremmo renderla pratica da usare."
Per impacchettare gli anticorpi su una nanoparticella, Scott e il suo team hanno dovuto superare un’altra sfida. Affinché le proteine (come gli anticorpi) si attacchino a una nanoparticella, in genere devono formare un legame chimico che dispiega (o denatura) la proteina, influenzandone l'attività biologica. Per aggirare questa sfida, Scott si è rivolto a una nanoparticella precedentemente sviluppata nel suo laboratorio.
A differenza delle nanoparticelle più standard che hanno superfici stabili, la nanoparticella recentemente sviluppata da Scott comprende catene polimeriche dinamiche, che possono invertire in modo indipendente il loro orientamento in seguito all'esposizione a diversi solventi e proteine. Quando vengono messe in soluzioni liquide, le catene si orientano per ottenere interazioni elettrostatiche favorevoli con le molecole d'acqua.
Ma quando una proteina tocca la superficie delle nanoparticelle, le minuscole catene polimeriche specifiche sull’interfaccia cambiano il loro orientamento per trattenere stabilmente la proteina senza legarsi covalentemente ad essa. Il team di Scott ha anche scoperto che le tasche idrorepellenti sulle superfici delle proteine erano fondamentali per l'interazione stabile.
Quando si legano alle superfici, le proteine tipicamente si denaturano, perdendo la loro bioattività. Un aspetto unico delle nanoparticelle di Scott è che possono legare stabilmente enzimi e anticorpi mantenendo la loro struttura 3D e le funzioni biologiche. Ciò significa che gli anticorpi anti-Siglec-6 hanno mantenuto la loro forte affinità per i recettori dei mastociti, anche quando attaccati alle superfici delle nanoparticelle.
"Questa è una superficie straordinariamente dinamica", ha detto Scott. "Invece di una superficie stabile standard, può cambiare la sua chimica superficiale. È fatto di minuscole catene polimeriche di composti, che possono invertire il loro orientamento per massimizzare le interazioni favorevoli sia con l'acqua che con le proteine, se necessario."
Quando il team di Scott ha mescolato le nanoparticelle con gli anticorpi, quasi il 100% degli anticorpi si sono attaccati con successo alle nanoparticelle senza perdere la capacità di legarsi ai loro obiettivi specifici. Ciò ha portato a una terapia basata su nanoparticelle che impiega superfici con quantità densamente concentrate e altamente controllabili di più anticorpi distinti per colpire i mastociti.
Affinché qualcuno diventi allergico, i suoi mastociti catturano e mostrano anticorpi, in particolare anticorpi immunoglobuline E (IgE), per quello specifico allergene. Ciò consente ai mastociti di riconoscere e reagire allo stesso allergene dopo la riesposizione.
"Se hai un'allergia alle arachidi e hai avuto una risposta alle arachidi in passato, le tue cellule immunitarie hanno prodotto anticorpi IgE contro le proteine delle arachidi e i mastociti li hanno raccolti", ha detto Scott. "Ora stanno aspettando che tu mangi un'altra nocciolina. Quando lo fai, possono rispondere in pochi minuti e, se la risposta è abbastanza forte, può provocare anafilassi."
Per indirizzare selettivamente i mastociti in modo che rispondano a un particolare allergene, i ricercatori hanno progettato la loro terapia per coinvolgere solo i mastociti che trasportano anticorpi IgE per quell’allergene. La nanoparticella utilizza un allergene proteico per interagire con gli anticorpi IgE sui mastociti e quindi utilizza un anticorpo per interagire con il recettore Siglec-6 per interrompere la capacità di reazione dei mastociti. E poiché solo i mastociti mostrano i recettori Siglec-6, la nanoparticella non può legarsi ad altri tipi di cellule, una strategia che limita efficacemente gli effetti collaterali.
"Puoi utilizzare qualsiasi allergene che desideri e interromperai selettivamente la risposta a quell'allergene", ha detto Scott. "L'allergene normalmente attiverebbe il mastocita. Ma allo stesso tempo l'allergene si lega, l'anticorpo sulla nanoparticella impegna anche il recettore inibitorio Siglec-6. Alla luce di questi due segnali contraddittori, il mastocito decide che non dovrebbe attivarsi e dovrebbe lasciare intatto quell'allergene. Interrompe selettivamente la risposta a un allergene specifico. La bellezza di questo approccio è che non richiede l'uccisione o l'eliminazione di tutti i mastociti e, dal punto di vista della sicurezza, se la nanoparticella si attacca accidentalmente tipo di cella, quella cella semplicemente non risponderà."
Dopo aver dimostrato il successo nelle colture cellulari utilizzando mastociti derivati da tessuti umani, i ricercatori hanno spostato la loro terapia in un modello murino umanizzato. Poiché i mastociti nei topi non hanno il recettore Siglec-6, il team di Bochner ha sviluppato un modello murino con mastociti umani nei loro tessuti. I ricercatori hanno esposto i topi a un allergene e allo stesso tempo hanno somministrato la nanoterapia.
Nessun topo ha subito shock anafilattico e tutti sono sopravvissuti.
"Il modo più semplice per monitorare una risposta allergica è monitorare i cambiamenti nella temperatura corporea", ha detto Scott. "Non abbiamo notato cambiamenti nella temperatura. Non c'è stata alcuna risposta. Inoltre, i topi sono rimasti sani e non hanno mostrato alcun segno esteriore di una reazione allergica."
"I mastociti del topo non hanno Siglec-6 sulla loro superficie come negli esseri umani, ma per ora ci siamo avvicinati il più possibile agli studi sull'uomo reali testando queste nanoparticelle in topi speciali che avevano mastociti umani nei loro tessuti", ha detto Bochner . "Siamo stati in grado di dimostrare che questi topi umanizzati erano protetti dall'anafilassi."
Successivamente, i ricercatori intendono esplorare la loro nanoterapia per il trattamento di altre malattie legate ai mastociti, inclusa la mastocitosi, una rara forma di cancro ai mastociti. Stanno anche studiando approcci per caricare farmaci all'interno delle nanoparticelle per uccidere selettivamente i mastociti nella mastocitosi senza danneggiare altri tipi di cellule.
Ulteriori informazioni: Fanfan Du et al, L'adsorbimento controllato di più proteine bioattive consente la nanoterapia mirata dei mastociti, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01584-z
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito dalla Northwestern University
