Nanomedicina: ricerca biotecnologica in laboratorio – foto illustrativa. Crediti immagine: CDC tramite Unsplash
In un promettente passo avanti nella cura del cancro, gli scienziati della Northwestern University hanno riprogettato la struttura molecolare di un comune farmaco chemioterapico, rendendolo notevolmente più solubile ed efficace e meno tossico.
Nel nuovo studio, il team ha progettato da zero un nuovo farmaco, un acido nucleico sferico (SNA), una nanostruttura che intreccia il farmaco direttamente nei filamenti di DNA che ricoprono minuscole sfere. Questa struttura converte un farmaco scarsamente solubile e poco efficace in un potente killer oncologico mirato che lascia intatte le cellule sane.
Dopo aver sviluppato la nuova terapia, il team l’ha testata su un modello animale di leucemia mieloide acuta (LMA), un tumore del sangue a rapida evoluzione e difficile da trattare. Rispetto al farmaco chemioterapico standard, il farmaco a base di SNA è penetrato nelle cellule leucemiche con un’efficienza 12,5 volte maggiore, le ha uccise fino a 20.000 volte di più e ha ridotto la progressione del cancro di 59 volte, il tutto senza effetti collaterali rilevabili.
Questo lavoro è un ulteriore esempio del potenziale della nanomedicina strutturale, un nuovo campo in cui gli scienziati utilizzano un controllo strutturale e compositivo preciso per perfezionare il modo in cui i nanofarmaci interagiscono con il corpo umano. Con sette terapie basate su SNA attualmente in fase di sperimentazione clinica, il nuovo approccio potrebbe portare a potenti vaccini e trattamenti per tumori, malattie infettive, malattie neurodegenerative e malattie autoimmuni.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista ACS Nano.
“Nei modelli animali, abbiamo dimostrato di poter arrestare i tumori sul nascere”, ha affermato Chad A. Mirkin della Northwestern, che ha guidato lo studio. “Se questo si traducesse in pazienti umani, sarebbe un progresso davvero entusiasmante. Significherebbe una chemioterapia più efficace, migliori tassi di risposta e minori effetti collaterali. Questo è sempre l’obiettivo di qualsiasi tipo di trattamento contro il cancro”.
Pioniere della chimica e della nanomedicina, Mirkin è Professore di Chimica, Ingegneria Chimica e Biologica, Ingegneria Biomedica, Scienza dei Materiali e Ingegneria e Medicina presso la Northwestern University, dove ricopre incarichi presso il Weinberg College of Arts and Sciences, la McCormick School of Engineering e la Feinberg School of Medicine. È inoltre Direttore fondatore dell’International Institute for Nanotechnology e membro del Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center della Northwestern University.
Per il nuovo studio, Mirkin e il suo team si sono concentrati sul farmaco chemioterapico tradizionale 5-fluorouracile (5-Fu), che spesso non riesce a raggiungere efficacemente le cellule tumorali. Inoltre, poiché attacca anche i tessuti sani, il 5-Fu causa una miriade di effetti collaterali, tra cui nausea, affaticamento e, in rari casi, persino insufficienza cardiaca.
Secondo Mirkin, il problema non è il farmaco in sé, ma il modo in cui l’organismo lo metabolizza. Il 5-Fu è scarsamente solubile, il che significa che meno dell’1% si dissolve in molti fluidi biologici. La maggior parte dei farmaci deve dissolversi nel flusso sanguigno prima di poter attraversare l’organismo ed entrare nelle cellule. Se un farmaco è scarsamente solubile, si aggrega o mantiene una forma solida e l’organismo non riesce ad assorbirlo in modo efficiente.
“Sappiamo tutti che la chemioterapia è spesso terribilmente tossica“, ha detto Mirkin. “Ma molte persone non si rendono conto che spesso è anche scarsamente solubile, quindi dobbiamo trovare il modo di trasformarla in forme idrosolubili e somministrarla in modo efficace”.
Per sviluppare un sistema di somministrazione più efficace, Mirkin e il suo team si sono rivolti agli SNA. Inventati e sviluppati da Mirkin alla Northwestern University, gli SNA sono nanostrutture globulari con un nucleo di nanoparticelle circondato da un denso involucro di DNA o RNA. In studi precedenti, Mirkin aveva scoperto che le cellule riconoscono gli SNA e li invitano al loro interno. Nel nuovo studio, il suo team ha costruito nuovi SNA con la chemioterapia incorporata chimicamente nei filamenti di DNA.
“La maggior parte delle cellule presenta recettori scavenger sulla superficie“, ha detto Mirkin. “Ma le cellule mieloidi sovraesprimono questi recettori, quindi ce ne sono ancora di più. Se riconoscono una molecola, la attirano all’interno della cellula. Invece di doversi fare strada a forza nelle cellule, gli SNA vengono assorbiti naturalmente da questi recettori”.
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Come sospettavano Mirkin e il suo team, la riprogettazione strutturale ha cambiato completamente il modo in cui il 5-Fu interagiva con le cellule tumorali. A differenza delle molecole chemioterapiche libere e non strutturate, le cellule mieloidi riconoscevano e assorbivano facilmente la forma SNA. Una volta all’interno, gli enzimi rompevano l’involucro del DNA per rilasciare le molecole di farmaco, che uccidevano la cellula tumorale dall’interno.
Negli esperimenti sui topi, la terapia ha eliminato quasi completamente le cellule leucemiche nel sangue e nella milza, prolungando significativamente la sopravvivenza. Inoltre, poiché gli SNA hanno preso di mira selettivamente le cellule della LMA, i tessuti sani sono rimasti illesi.
“I chemioterapici odierni uccidono tutto ciò che incontrano”, ha detto Mirkin. “Quindi, uccidono le cellule tumorali, ma anche molte cellule sane. La nostra nanomedicina strutturale individua preferibilmente le cellule mieloidi. Invece di sovraccaricare l’intero organismo con la chemioterapia, somministra una dose più elevata e mirata esattamente dove è necessaria”.
Successivamente, il team di Mirkin prevede di testare la nuova strategia su una coorte più ampia di modelli di piccoli animali, per poi passare a un modello animale più grande e, infine, a sperimentazioni cliniche sull’uomo, una volta ottenuti i finanziamenti.
Fonte: Northwestern University