Gli ingegneri dell'Università della California a San Diego hanno sviluppato nanoparticelle modulari che possono essere facilmente personalizzate per colpire diverse entità biologiche come tumori, virus o tossine. La superficie delle nanoparticelle è progettata per ospitare qualsiasi molecola biologica di scelta, rendendo possibile personalizzare le nanoparticelle per un'ampia gamma di applicazioni, che vanno dalla somministrazione mirata di farmaci agli agenti biologici neutralizzanti.
La bellezza di questa tecnologia sta nella sua semplicità ed efficienza. Invece di creare nanoparticelle completamente nuove per ogni applicazione specifica, i ricercatori possono ora utilizzare una base di nanoparticelle modulari e attaccare comodamente proteine mirate all'entità biologica desiderata.
In passato, la creazione di nanoparticelle distinte per diversi bersagli biologici richiedeva il passaggio ogni volta attraverso un processo sintetico diverso dall’inizio alla fine. Ma con questa nuova tecnica, la stessa base modulare di nanoparticelle può essere facilmente modificata per creare un intero set di nanoparticelle specializzate.
"Si tratta di una piattaforma tecnologica plug and play che consente la rapida modifica di una nanoparticella biologica funzionale", ha affermato Liangfang Zhang, professore di nanoingegneria presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego.
Zhang e il suo team descrivono in dettaglio il loro lavoro in un articolo intitolato "Un approccio modulare per migliorare la funzionalità delle nanoparticelle rivestite di membrana cellulare utilizzando l'ingegneria genetica", pubblicato il 30 ottobre su Nature Nanotechnology .
Le nanoparticelle modulari sono costituite da nuclei polimerici biodegradabili rivestiti con membrane cellulari geneticamente modificate. La chiave del loro design modulare è una coppia di proteine sintetiche, note come SpyCatcher e SpyTag, appositamente progettate per legarsi spontaneamente ed esclusivamente tra loro. Questa coppia è comunemente utilizzata nella ricerca biologica per combinare varie proteine.
In questo studio, Zhang e il suo team hanno sfruttato la coppia per creare un sistema per attaccare facilmente le proteine di interesse alla superficie di una nanoparticella.
Ecco come funziona:SpyCatcher è incorporato sulla superficie delle nanoparticelle, mentre SpyTag è legato chimicamente a una proteina di interesse, come quella che prende di mira tumori o virus. Quando le proteine collegate a SpyTag entrano in contatto con le nanoparticelle decorate con SpyCatcher, si legano facilmente tra loro, consentendo alle proteine di interesse di attaccarsi facilmente alla superficie delle nanoparticelle.
Ad esempio, per colpire i tumori, SpyTag può essere collegata a una proteina progettata per cercare le cellule tumorali e tale proteina collegata a SpyTag viene quindi attaccata alla nanoparticella. Se il bersaglio si sposta su un virus specifico, il processo è altrettanto semplice:collega semplicemente SpyTag a una proteina che prende di mira il virus e attaccala alla superficie delle nanoparticelle.
"Si tratta di un approccio molto semplice, ottimizzato e diretto alla funzionalizzazione delle nanoparticelle per qualsiasi applicazione biologica", ha affermato Zhang.
Per creare le nanoparticelle modulari, i ricercatori hanno prima ingegnerizzato geneticamente le cellule 293 del rene embrionale umano (HEK), una linea cellulare comunemente usata nella ricerca biologica, per esprimere le proteine SpyCatcher sulla loro superficie. Le membrane cellulari sono state quindi isolate, spezzate in pezzi più piccoli e rivestite su nanoparticelle polimeriche biodegradabili.
Queste nanoparticelle sono state successivamente mescolate con proteine legate a SpyTag. In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato due diverse proteine:una mirata al recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR) e l'altra mirata al recettore del fattore di crescita epidermico umano 2 (HER2), entrambi prevalenti sulla superficie di varie cellule tumorali.
Come prova di concetto, i ricercatori hanno testato queste nanoparticelle nei topi con tumori ovarici. Le nanoparticelle sono state caricate con docetaxel, un farmaco chemioterapico, e somministrate ai topi tramite iniezione endovenosa ogni tre giorni per un totale di quattro iniezioni. Il trattamento con queste nanoparticelle ha soppresso la crescita del tumore migliorando al tempo stesso il tasso di sopravvivenza. I topi trattati avevano una sopravvivenza media da 63 a 71 giorni, mentre la sopravvivenza media dei topi non trattati era da 24 a 29 giorni.
I ricercatori stanno cercando di migliorare ulteriormente la piattaforma modulare di nanoparticelle per la somministrazione mirata di farmaci.
Oltre al trattamento del cancro, Zhang è entusiasta di altre potenziali applicazioni di questa tecnologia. "Poiché disponiamo di una base modulare di nanoparticelle, possiamo facilmente attaccare un agente neutralizzante sulla superficie per neutralizzare virus e tossine biologiche", ha affermato.
"Esiste anche la possibilità di creare vaccini attaccando un antigene sulla superficie delle nanoparticelle utilizzando questa piattaforma modulare. Ciò apre la porta a una varietà di nuovi approcci terapeutici."
Ulteriori informazioni: Un approccio modulare per migliorare la funzionalità delle nanoparticelle rivestite di membrana cellulare utilizzando l'ingegneria genetica, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01533-w
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito dall'Università della California - San Diego
