Un segnale luminoso per il rilascio di farmaci nell’organismo

capsule - Foto di Clixfarmaci potrebbero essere liberati nelle cellule viventi per mezzo di capsule fotosensibili. Il rilascio mirato di specifici farmaci in particolari tessuti migliorerebbe l’efficacia dei trattamenti medici evitando l’impatto negativo sul resto del corpo.

Ottenere il controllo sul luogo e sul tempo del rilascio e dell’azione di particolari sostanze è l’obiettivo che si pongono numerosi gruppi di ricerca ed oggi questo traguardo sembra essere un po’ più vicino.

Un team di ricercatori inglesi della Queen Mary University di Londra in collaborazione con i colleghi della Jacobs University Bremen e del Max Planck Institute of Colloids in Germania ha creato microcapsule polimeriche coperte d’oro che sono in grado di liberare i composti direttamente nelle cellule mediante lisi indotta dall’esposizione ai raggi ultravioletti.

I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Small.

Le capsule potrebbero rivelarsi utili per gli studi di ricerca riguardanti gli effetti dei farmaci sulle cellule e, nel prossimo futuro, potrebbero essere impiegate come strumento clinico per la somministrazione di medicinali.

“E’ possibile lasciare le capsule nel corpo fino al momento in cui è effettivamente necessario il loro utilizzo. Basta somministrare luce ultravioletta affinché le capsule rilascino il composto attivo direttamente nel distretto corporeo di interesse” spiega Gleb Sukhorukov, professore di biomateriali presso la Queen Mary University di Londra e membro del team di ricercatori coinvolto nel progetto.

Una possibile applicazione, suggerisce il professor Sukhorukov, riguarda la somministrazione di farmaci dopo un’operazione: le capsule potranno fornire il medicinale direttamente sul sito dell’operazione, anche settimane dopo l’intervento, senza la necessità di dover praticare ulteriori traumi chirurgici al paziente.
Un’altra possibile applicazione nel campo medico riguarda la terapia genica, anche se questo traguardo appare oggi ancora molto lontano, infatti, saranno necessari ulteriori studi per individuare e sviluppare un metodo che consenta di indirizzare le capsule verso le cellule che si desiderano trattare.

Le capsule sono costituite da un sottile scheletro di silicio attorno al quale vengono avvolti strati di polimeri. Durante questo processo le nanoparticelle di oro vengono aggiunte alle pareti della capsula. Successivamente lo scheletro di silicio viene sciolto in acido lasciando libero lo spazio interno delle capsule.

Il professor Sukhorukov afferma che le capsule costruite con questo metodo possono avere dimensioni comprese tra i 200 nanometri e i 10 micron.

Le capsule vengono inserite nelle cellule mediante elettroporazione, tecnica che permette di ottenere una temporanea permeabilità delle membrane grazie ad un impulso elettrico applicato alla cellula.

Dopo essere state impiantate nelle cellule, le capsule sono in grado di proteggere il principio attivo che contengono dall’azione degli enzimi cellulari.
Quando le cellule vengono esposte a luce ultravioletta avviene il riscaldamento delle nano particelle d’oro che rivestono le pareti della capsula e questo processo permette il rilascio delle sostanze attive contenute.

I ricercatori hanno sperimentato il rilascio di peptidi all’interno delle cellule segnando così un primo passo verso la corretta messa a punto del metodo.
“Volevamo vedere se i peptidi rilasciati dalle capsule venivano considerati come normali peptidi intracellulari e abbiamo notato che queste sostanze si spostano all’interno della cellula e passano dal reticolo endoplasmatico alla superficie cellulare” spiega Sebastian Springer, professore di biochimica e biologia cellulare presso la Jacobs University Bremen in Germania.

Le nanoparticelle d’oro sono state usate in precedenza in un lavoro di ricerca condotto da Naomi Halas, professoressa di chimica e direttrice del Laboratorio di Nanofotonica presso la Rice University.

Rispetto al lavoro di Halas, la ricerca europea aggiunge un importante passo avanti poiché mette in evidenza che i peptidi contenuti nelle microcapsule possono essere rilasciati nelle cellule viventi.
“Solitamente i peptidi non diffondono attraverso la membrana cellulare, perciò una cellula possiede generalmente solo le proteine che è in grado di sintetizzare” spiega Halas.
Inoltre il rilascio del contenuto della capsula mediato dalla luce è un approccio molto utile per il lavoro di laboratorio poiché consente di verificare numerose funzioni cellulari in modo quantitativo. I ricercatori, infatti, potrebbero misurare in modo preciso il rilascio di specifiche quantità di un determinato composto e verificare gli effetti sulle cellule malate.

La ricerca risulta quindi di grande importanza per le applicazioni in vitro, ma prima di poter pensare ad un possibile impiego sull’uomo sarà necessario risolvere numerosi problemi legati alla sicurezza della tecnica impiegata.

Recentemente Halas ha intrapreso nuovi studi riguardanti i meccanismi del rilascio di sostanze mediato dalla luce. La temperatura delle cellule rimane la stessa mentre si deve scaldare dolcemente solo la superficie delle capsule.

I ricercatori tedeschi stanno procedendo nei loro studi volti ad approfondire l’impiego delle capsule nelle cellule viventi. Verificheranno i risultati ottenuti fino ad ora utilizzando anche numerosi altri tipi cellulari e differenti peptidi, inoltre renderanno pubblici a breve i loro studi riguardanti un approccio alternativo per il rilascio del contenuto delle capsule: tale approccio non implica l’uso della luce e potrebbe essere un primo importante passo per capire le dinamiche del rilascio dei farmaci in particolari distretti del corpo dove la luce non può penetrare facilmente.

Nel frattempo Sukhorukov e colleghi proseguono gli studi per cercare di ridurre il quantitativo di luce richiesto affinché le capsule rilascino il loro contenuto.
Le cellule tendono a sopravvivere agli esperimenti, ma forse si potrebbero ottenere ottimi risultati anche con una luce meno potente. In questo modo si migliorerebbe anche la sicurezza del metodo.

Un altro gruppo di ricerca, guidato da Jean Fréchet, professore di chimica organica della University of California, Berkeley, ha creato capsule che sfruttano un approccio simile alle capsule coperte di nanoparticelle d’oro.
Si tratta di capsule create con nanotubi di carbonio in uno scheletro di nylon che si scaldano e liberano il loro contenuto quando vengono colpite da luce laser.

I risultati della ricerca sono apparsi sulla rivista Journal of the American Chemical Society.

Il metodo studiato dal team della University of California è stato creato per temporizzare a piacere una reazione chimica: le capsule stoccano un reagente fino a quando non entrano in contatto con la luce laser, in questo modo è possibile dare avvio alla reazione dove e quando si desidera.

Il sistema può essere impiegato nei processi di stampa, nelle industrie chimiche di sintesi e anche in campo medico per il rilascio controllato dei farmaci nell’organismo.

“Abbiamo trovato il modo per contenere sostanze chimiche incompatibili nello stesso luogo e abbiamo sviluppato un metodo per avviare la reazione” afferma Fréchet.

“Il sistema di incapsulamento permette di posizionare le sostanze esattamente nel luogo desiderato, lasciandole anche per un certo tempo e quindi liberandole affinché avvenga la reazione” spiega Alex Zettl, professore di fisica presso la University of California, Berkeley.

Il metodo messo a punto dai ricercatori di Berkeley per creare le capsule prevede la preparazione di un mix costituito dalle sostanze da incapsulare a cui viene aggiunta una piccola quantità di nanotubi di carbonio e i precursori utili per fare il nylon. La miscela viene posta in agitazione e questo permette la formazione di sfere di nylon che catturano i nanotubi di carbonio e il reagente da incapsulare.
Modificando la velocità di agitazione è possibile variare la dimensione delle capsule da 100 fino a 1000 micrometri.
Quando la capsula viene colpita dal laser, i nanotubi di carbonio assorbono la luce riscaldando il liquido contenuto all’interno che si espande e provoca l’esplosione del contenitore.

Le microcapsule sono comunemente usate nei detergenti dove separano il sapone da altre sostanze fino alla miscelazione in acqua. Sono presenti anche nella carta copiativa dove mantengono separato l’inchiostro fino a quando la pressione esercitata dalla penna causa la rottura delle capsule.

Il lavoro dei ricercatori di Berkeley aggiunge maggiore precisione e migliori opportunità di impiego delle microcapsule.

La ricerca è ancora in uno stadio iniziale e gli studiosi mirano a numerose interessanti implementazioni.
Il primo passo prevede il miglioramento del metodo con lo scopo di ridurre la dimensione delle capsule. Parallelamente si procede alla sperimentazione di diverse lunghezze d’onda per attivare il rilascio delle sostanze contenute nelle capsule: laser a differenti lunghezze d’onda potrebbero essere impiegati per indurre il rilascio di determinate sostanze contenute solo in determinate capsule e non in altre.