Anestesia: ricercatori dell’UCSF stanno analizzando milioni di composti, con l’aiuto di minuscoli pesci zebra, per creare anestetici sufficientemente sicuri da poter essere utilizzati senza anestesista. Credit Credito: Ana Miminoshvili.
Prima del 1846, la chirurgia era un’operazione rozza e brutale, solitamente eseguita su pazienti coscienti legati al letto. Poi, un dentista di Boston dimostrò pubblicamente che l’etere dietilico, una sostanza chimica altamente infiammabile – comunemente chiamata etere – poteva rendere un paziente incosciente e insensibile al dolore. Da un giorno all’altro, la chirurgia divenne un’attività fondamentale nella medicina moderna.
Da allora, la chirurgia ha fatto enormi progressi, con l’introduzione di laparoscopi e laser, articolazioni in titanio e organi trapiantati. L’anestesia è cambiata molto meno, con solo una manciata di farmaci migliori in circolazione.
L’etere ha ceduto il passo a sostanze chimiche meno infiammabili. Barbiturici e dexmedetomidina sono stati scoperti per caso. E una ricerca intenzionale, durata un decennio, di alternative più sicure ha prodotto il Propofol, approvato nel 1989 e che rimane l’anestetico generale per via endovenosa più comunemente utilizzato.
Il Propofol e gli altri farmaci utilizzati nelle sale operatorie odierne sono sicuri se somministrati da specialisti formati per gestirne gli effetti collaterali potenzialmente letali. Ma anestetici che non richiedano tale competenza aprirebbero un mondo nuovo e coraggioso in cui gli interventi chirurgici sarebbero meno onerosi e meno costosi per i pazienti.
Sarebbe inoltre più accessibile in ambienti con risorse insufficienti, tra cui aree rurali, paesi in via di sviluppo e zone di guerra, dove la mancanza di anestesisti e delle loro attrezzature di monitoraggio e supporto vitale spesso limita l’accesso dei pazienti alle procedure necessarie.
La prospettiva di interventi chirurgici portatili che richiedono meno specialisti e strumenti, ha spinto la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) a finanziare un team di ricercatori presso la facoltà di farmacia dell’UCSF e l’UC San Diego, impegnati nella ricerca di anestetici notevolmente più sicuri.
I professori di chimica farmaceutica Brian Shoichet, Ph.D. ’91 e Jason Sello, Ph.D., stanno guidando un progetto che combina intelligenza artificiale, progettazione molecolare e modelli animali innovativi per valutare le proprietà anestetiche di 6 milioni di piccole molecole.
La massiccia ricerca copre un’ampia gamma di sostanze chimiche, sollevando la possibilità che alcune possano agire attraverso meccanismi biologici non ancora scoperti e potenzialmente più sicuri. I ricercatori prevedono di avviare la sperimentazione clinica di circa 10 farmaci, il che aprirebbe le porte a un campo che finora si è mosso a rilento.
“Siamo in un momento in cui tutto si sta unendo per accelerare il progresso. C’è una convergenza di diverse tecnologie”, afferma Sello. “E in UC abbiamo il gruppo giusto di persone con le giuste competenze e i giusti interessi per riunirle”.
Uno strano miscuglio di metodi che funzionano in sincronia
I computer che utilizzano una tecnica sviluppata da Shoichet gestiranno la maggior parte dei 6 milioni di sostanze chimiche. Il docking di grandi librerie funziona come un puzzle virtuale ad alta velocità per determinare quali molecole in una vasta libreria potrebbero interagire con specifici bersagli biologici.
La maggior parte degli anestetici noti agisce su uno di due meccanismi biologici: il Propofol e le Benzodiazepine interagiscono con il canale ionico GABA-A, mentre la Dexmedetomidina interagisce con i recettori adrenergici alfa-2A. Shoichet sta cercando altri composti che svolgano lo stesso compito.
Inizia con modelli dettagliati di queste due porte cellulari, inclusi la loro forma e le proprietà chimiche. Quindi il programma per computer analizza modelli simili di milioni di composti chimici per identificare quali si adattano (o “si agganciano”) a quelle porte. Quelli che lo fanno hanno probabilmente effetti anestetici.
Shoichet li segnala a Matthew McCarroll, Ph.D., Professore associato di chimica farmaceutica, i cui cavalli di battaglia scientifici sono le larve di pesce zebra. Essendo vertebrati, i pesci possiedono neurotrasmettitori simili a quelli degli esseri umani. Ma si riproducono rapidamente e sviluppano organi entro cinque giorni dalla fecondazione.
McCarroll e altri hanno dimostrato che questi pesci possono contribuire a superare un ostacolo che ha rallentato la ricerca di anestetici migliori: non si può iniziare, come fa la maggior parte della ricerca, con cellule a crescita rapida in piastre di Petri perché le cellule non sono coscienti. Ma a cinque giorni di vita, i pesci sono abbastanza piccoli da supportare il tipo di esperimenti che i ricercatori altrimenti condurrebbero con le cellule.
Le larve di pesce zebra presentano un’altra caratteristica utile. Rispondono in modo specifico a diversi tipi di farmaci neuroattivi e McCarroll ha scoperto una reazione paradossale nelle larve anestetizzate: le larve stordite agitano la coda quando vengono esposte alle vibrazioni, mentre le loro compatriote sveglie non mostrano alcuna risposta.
“I pesci anestetizzati non reagiscono ad altri stimoli, ma hanno questa risposta di sussulto acustico davvero forte che non osserviamo con nessun altro tipo di farmaco“, dice McCarroll. “È davvero strano”.
McCarroll ha trasformato questo curioso comportamento in un ingegnoso test di laboratorio: si mette una piccola quantità, a basso costo, di un composto di prova in 96 minuscoli pozzetti, ognuno contenente fino a otto larve di pesce zebra. Si fa vibrare il vassoio e si filma il pesce zebra. In ogni pozzetto con pesci che si contraggono, si trova un potenziale composto anestetico. Il vassoio, grande quanto una cartolina, di McCarroll può testare 80 composti alla volta, con 16 campioni di controllo in più.
Finora, circa la metà dei composti identificati dalla tecnica di docking di Shoichet ha causato le contrazioni tipiche delle larve di pesce zebra di McCarroll. McCarroll sta inoltre dosando alle larve altri composti, scelti a caso, per trovarne uno che agisca attraverso un nuovo meccanismo biologico che inneschi meno effetti collaterali rispetto al propofol o alla dexmedetomidina. Nuovi obiettivi potrebbero anche invitare altri ricercatori a unirsi alla ricerca di anestetici migliori.
McCarroll condivide i suoi successi con Sello, che esamina la chimica dei composti, eliminando quelli con proprietà note per causare, ad esempio, danni al fegato. Sello modifica anche la composizione chimica di alcuni composti, ad esempio per renderli biologicamente solubili o più potenti. (L’editing molecolare è diventato più preciso nei decenni trascorsi dalla creazione del Ppropofol). Sello invia le molecole modificate a McCarroll in modo che possa somministrare il farmaco ai pesci, testarne gli organi per eventuali danni e persino osservare le loro teste trasparenti per vedere come i farmaci influenzano il cervello.
“È un processo iterativo“, afferma Sello. “Cercheremo di creare composti più potenti o che prevediamo abbiano migliori proprietà farmacologiche”.
“I candidati che supereranno tutti questi test saranno infine valutati sui topi, avviando i composti verso un percorso più convenzionale verso la sperimentazione clinica. Sono comunque necessari approfonditi test di sicurezza prima che qualsiasi farmaco possa essere sperimentato sugli esseri umani”, afferma Michael Bokoch, MD, Ph.D., Professore associato di anestesia e membro del team di ricerca di alto livello.
Speranze di rivoluzionare la chirurgia
Un progetto pilota che utilizza lo stesso metodo non convenzionale ha già dato i suoi frutti. Dopo aver esaminato 12.000 composti, il team ha identificato una molecola candidata. Grazie alle modifiche di Sello, è diventata la Nidradina, un farmaco che ha anestetizzato con successo i topi. Ancora più interessante, possiede anche proprietà analgesiche, ovvero antidolorifiche. Se la Nidradina arrivasse in sala operatoria, potrebbe ridurre la dipendenza dagli antidolorifici oppioidi.
“La sua attività analgesica deriva dal legame con un canale ionico del sodio chiamato NaV1.8, che è attualmente un obiettivo importante per lo sviluppo di composti per il trattamento del dolore cronico”, afferma Sello. “E la nostra molecola è il risultato di uno screening casuale”.
Il progetto pilota ha alimentato l’ottimismo dei ricercatori, i quali ritengono che potrebbero scoprire fino a una dozzina di nuovi farmaci promettenti nell’ambito del progetto più ampio.
L’obiettivo più ambizioso della ricerca è rivoluzionare la chirurgia stessa, svincolandola dal ruolo di anestesisti altamente specializzati. Farmaci più sicuri consentirebbero a infermieri e medici di anestetizzare i pazienti, a volte senza le ingombranti e costose apparecchiature che monitorano e supportano le funzioni vitali dei pazienti in caso di riduzione dell’attività cardiorespiratoria che molti anestetici esistenti possono causare.
L’ambizione si fonda su una sfida: gli anestesisti sono scarsi nelle forze armate, nelle aree rurali e nei paesi a basso reddito. Nelle zone di guerra, i soldati feriti possono attendere minuti o ore preziose per un intervento chirurgico mentre vengono trasportati in un centro medico militare dotato di anestesisti e degli strumenti necessari. Situazioni simili si verificano nelle aree rurali e nei paesi a basso reddito. Di fatto, i tempi di attesa in tali luoghi possono essere indefiniti, con milioni di persone che ogni anno non si sottopongono a interventi chirurgici necessari.
Ci sarebbero benefici anche in centri medici di alto livello come l’UCSF, dove farmaci notevolmente più sicuri permetterebbero agli anestesisti di concentrarsi sui casi più specializzati e ad alto rischio. Per le procedure a basso rischio, gli ospedali potrebbero ridurre la dipendenza da specialisti altamente qualificati, riducendo potenzialmente i costi e rendendo le cure più accessibili.
“Se i farmaci fossero molto più sicuri, potremmo persino non aver bisogno di un anestesista per procedure come la chirurgia della cataratta e l’endoscopia“, afferma Bokoch. “Questo amplierebbe la nostra forza lavoro e farebbe risparmiare denaro ai pazienti”.
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Ma anche se la ricerca tra i 6 milioni di composti ne individuasse anche solo uno che sia progressivamente più sicuro del Propofol, tale miglioramento, esteso alle centinaia di milioni di pazienti in tutto il mondo che ogni anno si sottopongono a interventi chirurgici, sarebbe sostanziale. Attualmente, l’anestesia contribuisce alla morte di un paio di centinaia di persone negli Stati Uniti ogni anno.
“Non dobbiamo accettare lo status quo”, dice Sello. “Possiamo fare di meglio, quindi cerchiamo di fare meglio”.
Fonte: University of Caliifornia