Un intervento di ingegneria genetica ha permesso a esperti di nanoingegneria di sviluppare nanoparticelle in grado di individuare i siti infiammati all’interno dei polmoni, di legarsi alla proteina di cui questi si rivestono in seguito all’infiammazione e di rilasciarvi il farmaco.

TAKEAWAY

• Nell’ultimo decennio, il lavoro di biologi, esperti di nanoingegneria, chimici e fisici ha portato allo sviluppo di nanomateriali e di nanostrutture innovative per il trasporto, consegna e rilascio controllati dei farmaci nel sito target all’interno dell’organismo, in maniera sempre più precisa e mirata.
• Sul tema, recentemente, l’Università di San Diego è intervenuta adottando una metodologia che vede applicate nanotecnologie e ingegneria genetica.
• Il nuovo approccio ha condotto allo sviluppo di nanoparticelle rivestite di membrana cellulare geneticamente modificata che, rilasciando il farmaco direttamente dove è necessario, riducono il rischio che questo venga eliminato dall’organismo prima che possa essere metabolizzato e divenire, dunque, efficace.

---

Nanotecnologie e ingegneria genetica, insieme, segnano la nuova, recente, linea di evoluzione nell’ambito del trasporto, consegna e rilascio controllati dei farmaci nel sito target all’interno dell’organismo, detto anche “drug delivery”, in cui la somministrazione del principio attivo prevede – una volta assunto mediante nanosistemi – che questo venga rilasciato, in un preciso punto all’interno del corpo, in maniera mirata e circoscritta.

Ricordiamo che, nel corso dell’ultimo decennio, il progresso delle tecniche di drug delivery ha portato all’approvazione di nuove terapie per numerose patologie, tra cui quelle in ambito oncologico. Sul tema, il lavoro trasversale di biologi, esperti di nanoingegneria, chimici e fisici ha condotto allo sviluppo di nanomateriali e di nanostrutture innovative, con l’aumento del numero di molecole utilizzabili. Quest’ultimo punto, in particolare, rimanda a un aspetto centrale della questione, che ha a che vedere con la metabolizzazione, da parte delle cellule, della molecola usata per mettere a punto la nanostruttura, ossia la nanoparticella (composta da aggregati molecolari misurabili nell’ordine del nanometro, che corrisponde a un miliardesimo di metro). È, infatti, proprio la completa metabolizzazione della molecola a determinare l’efficacia del trattamento farmacologico.

Nel trasporto, consegna e rilascio controllati dei farmaci, oltre alla forma e alle dimensioni delle nanoparticelle utilizzate, sono importanti anche le caratteristiche del materiale di cui esse sono costituite, in quanto giocano un ruolo fondamentale nei processi di degradazione e di dinamica vascolare all’interno dell’organismo.

In base al tipo di materiale utilizzato, le nanoparticelle per il drug delivery si suddividono in “organiche” e “inorganiche”. Tra le prime – tutte biocompatibili – troviamo quelle a base di liposomi, vescicole artificiali assemblate a partire da fosfolipidi presenti nei semi, nelle uova, e nel tessuto muscolare e nervoso; le nanoparticelle polimeriche, prodotte con polimeri sintetici biodegradabili o con polimeri naturali quali alginato, albumina e collagene; le nanoparticelle di idrogel, materiale in grado di “mimare” le funzioni biologiche dei tessuti dell’organismo umano. Tra le nanoparticelle inorganiche, invece, citiamo le nanoparticelle d’oro, i nanodiamanti, le nanoparticelle superparamagnetiche, le nanoparticelle di ceramica e quelle a base di carbonio.

Nanotecnologie e ingegneria genetica per il drug delivery: il lavoro dell’Università di San Diego

Dicevamo, all’inizio, di un nuovo “corso” nell’ambito del rilascio controllato dei farmaci, in cui nanotecnologie e ingegneria genetica rappresentano, insieme, un approccio e una metodologia strategici.

Approccio e metodologia dei quali si è avvalso il team di ricercatori del Dipartimento di nanoingegneria dell’Università della California, a San Diego, nello sviluppare nanoparticelle che, imitando il comportamento delle cellule immunitarie nel colpire le infiammazioni polmonari, rilasciano i farmaci con precisione direttamente dove sono necessari.

Il lavoro è partito da un test in laboratorio su animali dal tessuto polmonare infiammato – ai quali sono state somministrate nanoparticelle che incapsulano desametasone, farmaco corticosteroide che agisce prevenendo il rilascio di sostanze che scatenano l’infiammazione – i cui risultati sono stati riportati il 16 giugno 2021 sulla rivista specializzata Science Advances.

Fin qui non sembra esserci nulla di nuovo. Se non che le nanoparticelle utilizzate sono state rivestite di una membrana cellulare geneticamente modificata, per far sì che si legasse alle cellule polmonari infiammate.

In realtà, il laboratorio di nanoingegneria della UC San Diego – diretto dal professor Liangfang Zhang – non è nuovo a questo genere di metodologia nella messa a punto di nanoparticelle per drug delivery. In passato, ha sviluppato nanoparticelle rivestite di membrana cellulare, ad esempio, per assorbire le tossine prodotte da MRSA (infezione batterica provocata da particolari ceppi di Staphylococcus aureus resistenti ad alcuni antibiotici), trattare la sepsi e “addestrare” il sistema immunitario a combattere il cancro.

Ma con una differenza: mentre queste membrane cellulari sono derivate naturalmente dalle cellule dell’organismo, le membrane cellulari adoperate per rivestire la nanoparticella contenente desametasone non lo sono.

Più nel dettaglio, il gruppo di studio, in questa ultima ricerca, prima ancora di raccogliere le membrane cellulari, è ricorso all’ingegneria genetica per modificare le proteine presenti sulla loro superficie.

Questo intervento ha ulteriormente perfezionato la tecnica alla base del loro metodo, consentendo di intervenire con precisione per “sovraesprimere” determinate proteine funzionali presenti sulle membrane cellulari e di eliminare alcune proteine “indesiderate”.

Sottolineiamo che, nell’ingegneria genetica, la “sovraespressione” di un gene consiste nell’aumentare la sua “espressione” – ossia il suo effetto – aumentando il numero di copie del gene stesso o aumentando i legami con la regione del DNA che promuove l’espressione di quel gene. Ma perché questa modifica genetica?

Nanotecnologie e ingegneria genetica per il trattamento farmacologico di precisione

Quello che il professor Zhang e il suo team hanno scoperto è che, quando le cellule che rivestono gli alveoli polmonarie le cellule presenti all’interno dei capillari polmonari si infiammano, queste “sovraesprimono” una proteina chiamata VCAM1, il cui scopo è attirare le cellule immunitarie nel sito dell’infiammazione. E queste ultime, in risposta, esprimono una proteina chiamata VLA4, che cerca la proteina VCAM1 e si lega a questa. E spiega:

“Quello che abbiamo fatto, è stato progettare – modificandole geneticamente – membrane cellulari che esprimano sempre la versione completa della proteina VLA4 e che si leghino alla proteina VCAM1 e al sito dell’infiammazione. Queste membrane cellulari ingegnerizzate consentono alla nanoparticella di “trovare” da sé i siti infiammati e, quindi, di rilasciare il farmaco che vi si trova all’interno in modo da trattare l’area specifica, circoscritta, dell’infiammazione polmonare”

Sebbene la suddetta nanoparticella non aumenti direttamente l’efficacia del farmaco – in questo caso il desametasone – la sua concentrazione più o meno elevata nel sito di interesse può significare che è necessario un dosaggio inferiore o maggiore.

Questo studio in materia di nanotecnologie e ingegneria genetica – osserva Zhang – ha dimostrato che, attraverso le nanoparticelle rivestite di membrana cellulare geneticamente modificata, il desametasone si accumula nei siti polmonari infiammati a livelli più elevati e più rapidamente rispetto agli approcci standard di somministrazione del farmaco.

Avere nanoparticelle contenenti il farmaco mirate al sito dell’infiammazione, significa che una porzione più ampia del medicinale finirà dove è necessaria e non verrà eliminata dall’organismo prima che possa accumularsi ed essere davvero efficace.

Gli scenari aperti dallo studio californiano

Il metodo e le tecnologie seguiti dai ricercatori dell’Università di San Diego si prestano all’utilizzo nell’ambito di altri studi in materia di nanotecnologie e ingegneria genetica applicate al rilascio controllato e mirato dei farmaci, per il trattamento terapeutico di infiammazioni ai danni di altri organi (la proteina VCAM1, infatti, è un segnale universale di infiammazione), ma anche per casi d’uso molto più ampi.

“Quella che abbiamo definito è una piattaforma versatile, non solo nel trattamento dell’infiammazione polmonare, ma per qualsiasi altro tipo di infiammazione che sovraesprima la proteina VCAM1” ha sottolineato il team di ricerca.

Inoltre, la nanoparticella rivestita di membrana cellulare geneticamente modificata non deve necessariamente sovraesprimere la proteina VLA4, la quale potrebbe essere sostituita con un’altra proteina, per andare a colpire altri organi e raggiungere altri obiettivi terapeutici.

Il prossimo passo dei ricercatori è la sperimentazione sull’uomo, utilizzando – appunto – membrane cellulari umane anziché animali e progettarle per esprimere la versione umana della proteina VLA4. Conclude il professor Liangfang Zhang:

“Sfruttando le consolidate tecniche di editing genetico, questo studio porta le nanoparticelle rivestite di membrana cellulare a un nuovo livello di efficacia e apre a nuove opportunità per la somministrazione mirata e circoscritta dei farmaci, oltre che ad altre applicazioni in ambito medico”