Quando si tratta di somministrare farmaci al corpo, una sfida importante è garantire che rimangano nell'area che stanno trattando e continuino a fornire il loro carico utile in modo accurato. Sebbene siano stati fatti passi da gigante nella distribuzione dei farmaci, il loro monitoraggio è una sfida che spesso richiede procedure invasive come le biopsie.
I ricercatori della NYU Tandon guidati da Jin Kim Montclare, professore di ingegneria chimica e biomolecolare, hanno sviluppato proteine che possono assemblarsi in fibre da utilizzare come agenti terapeutici per potenziali trattamenti di molteplici malattie.
Questi biomateriali possono incapsulare e fornire terapie per una serie di malattie. Ma mentre il laboratorio di Montclare ha lavorato a lungo sulla produzione di questi materiali, una volta c'era una sfida difficile da superare:come assicurarsi che queste proteine continuassero a fornire le loro proprietà terapeutiche nella posizione corretta nel corpo per il periodo di tempo necessario. /P>
In un recente studio pubblicato dalla rivista ACS Applied Nano Materials , il suo laboratorio è stato in grado di creare biomateriali fluorurati. Grazie a questa fluorurazione, possono essere monitorati mediante semplici scansioni FMRI, consentendo ai professionisti medici di garantire che i farmaci rimangano nelle aree di trattamento attraverso una tecnologia di imaging non invasiva.
Il materiale è costituito da proteine naturali, ma il gruppo di ricerca ha introdotto l'amminoacido non naturale, la trifluoroleucina. Poiché il fluoro è raro nel corpo, consente ai biomateriali di illuminarsi come un display natalizio quando il corpo viene sottoposto a una scansione 19FMRI.
"Come agente teranostico, non solo può fornire una terapia per il cancro o le malattie articolari, ad esempio, ma ora possiamo vedere che è ancora nel corpo e rilascia il farmaco dove dovrebbe", afferma Montclare. "Elimina la necessità di interventi chirurgici invasivi o biopsie per vedere cosa sta succedendo."
Il laboratorio di Montclare svolge ricerche rivoluzionarie sull'ingegneria delle proteine per imitare la natura e, in alcuni casi, funzionare meglio della natura. Lavora per personalizzare le proteine artificiali con l'obiettivo di colpire i disturbi umani, la somministrazione di farmaci e la rigenerazione dei tessuti, nonché creare nanomateriali per l'elettronica. Attraverso l'uso della chimica e dell'ingegneria genetica, ha dato un contributo alla lotta a malattie che vanno dal COVID-19 all'osteoartrosi e molte altre.
Questa innovazione utilizza gli stessi aminoacidi e proteine che caratterizzano gran parte della ricerca di Montclare. Poiché sono costituiti da materiali organici, quando questi biomateriali hanno completato il loro lavoro e fornito proprietà terapeutiche, il corpo può scomporli senza alcun tipo di effetto negativo.
Questo lo distingue da altri trattamenti che utilizzano materiali non organici che potrebbero causare una grave risposta immunitaria o altre reazioni. In combinazione con la tecnica della fluorurazione, questi materiali potrebbero fornire un trattamento per malattie localizzate che può essere molto meno invasivo rispetto ai trattamenti attuali ed è molto più facile e meno dirompente da monitorare.
Montclare ha lavorato a stretto contatto con i docenti della NYU School of Medicine su questo studio, incluso l'autore co-corrispondente Youssef Z. Wadghiri del dipartimento di Radiologia, nonché Richard Bonneau del Flatiron Institute.
Il team di Montclare ha mostrato le proprie ricerche su modelli murini, ma sta già cercando di sperimentare su topi con disturbi specifici per dimostrare le capacità della proteina di curare le malattie.
Le proteine autoassemblanti utilizzate dal team di Montclare sono solo un sottoinsieme di ciò su cui stanno lavorando lei e il suo laboratorio. In un altro articolo pubblicato su Biomacromolecules , il suo laboratorio è stato in grado di utilizzare la progettazione computazionale per creare proteine in grado di formare idrogel, grazie a un programma scritto dal suo dottorato. studente Dustin Britton.
Questi idrogel hanno diverse temperature di transizione:la temperatura alla quale i gel possono rimanere gelificati senza dissolversi o diventare instabili. In precedenza, il limite superiore della gelificazione era di circa 17° Celsius. Per le applicazioni biomediche, questo non era ottimale, poiché si scioglierebbe avvicinandosi alla temperatura del corpo umano. Attraverso l'uso delle sue proteine progettate computazionalmente, Britton è riuscito a spostare questo limite fino a 33,6° Celsius.
Grazie a questa nuova stabilità, le proteine progettate da Britton e Montclare potrebbero essere utilizzate per trattamenti topici, inclusa la guarigione delle ferite. E oltre alla maggiore tolleranza al calore, la nuova proteina può gelificare molto più velocemente rispetto alle versioni precedenti, rendendola molto più efficiente e più utile per le applicazioni mediche.
Spostando la temperatura, Britton è stato anche in grado di progettare una proteina che è anche fluorescente, il che significa che ha lo stesso potenziale di visualizzazione delle proteine fluorurate nell'altro loro studio. Ciò consente ai medici di monitorare la sua presenza nelle ferite e di garantire che svolga il suo carico terapeutico. E il gel ha gli stessi vantaggi delle proteine di laboratorio destinate all'uso interno, in quanto sarà in grado di degradarsi e dissiparsi nel corpo con pochi o nessun effetto negativo.
Il modello computerizzato di Britton sta facendo molto di più che progettare questa specifica proteina. Secondo Monclare, il campo dei biomateriali ingegnerizzati con proteine è stato a lungo dominato da tentativi ed errori, ovvero testando progetti ipotetici sperando di vedere se saranno stabili. Ma il modello di Britton è stato in grado di creare gel di costante successo, generando sequenze con un tasso di successo estremamente elevato e creando nuove proteine con nuove proprietà per potenziali usi terapeutici.
"Per la produzione di biomateriali, ciò accelererà assolutamente ciò che siamo in grado di realizzare", afferma Montclare. "Nel modo tradizionale, si apportano modifiche razionali e si vede se funziona, ma il 90% delle volte non funziona. Con questo nuovo modello, funzionano tutti e possiamo quindi scegliere tra i migliori che funzioni. Rivoluzionerà il modo in cui produciamo biomateriali."
Nel laboratorio di Monclare, questo ha cambiato il modo in cui creeranno nuove proteine e materiali in futuro:non si può tornare alla pratica di iterazione razionale che aveva un tasso di fallimento così alto. E sicuramente accelererà la produzione di biomateriali rivoluzionari che presto cureranno alcune delle condizioni mediche più gravi in tutto il mondo.
Ulteriori informazioni: Dustin Britton et al, Fibre ingegnerizzate con proteine per l'incapsulamento di farmaci tracciabili tramite risonanza magnetica 19F, Nanomateriali applicati ACS (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c04357
Dustin Britton et al, Previsione computazionale della dinamica e della struttura della gelificazione delle proteine a spirale, Biomacromolecole (2023). DOI:10.1021/acs.biomac.3c00968
Informazioni sul giornale: Biomacromolecole
Fornito dalla NYU Tandon School of Engineering
