I tumori che raggiungono i polmoni, o metastasi polmonari, rappresentano una sfida formidabile nel campo della cura del cancro. La chemioterapia convenzionale spesso non è efficace perché è inefficiente. Non colpisce direttamente i polmoni e si accumula in una concentrazione sufficientemente elevata da uccidere i tumori.
I miei colleghi e io del laboratorio Wang e dello Zhang Research Group presso l'Università della California, San Diego, abbiamo trascorso gli ultimi cinque anni a sviluppare microrobot bioibridi, piccoli oggetti realizzati con materiali sia naturali che sintetici, che possono essere utilizzati in medicina.
Nella nostra ricerca appena pubblicata, abbiamo creato un microrobot bioibrido basato su microalghe verdi in grado di somministrare la chemioterapia direttamente al polmone e curare le metastasi polmonari.
Le microalghe possono nuotare nel tuo corpo. CSIRO/Wikimedia Commons, CC BY-SA Somministrazione di farmaci tramite alghe
I microrobot sintetici sono in genere realizzati con strutture rigide metalliche o polimeriche difficili da produrre. Non sono in grado di accedere a determinati organi e tessuti e possono essere tossici per gli esseri umani.
Le microalghe superano queste preoccupazioni. Innanzitutto, le microalghe possono muoversi autonomamente utilizzando un'appendice simile a un capello chiamata flagello per spingersi attraverso organi come i polmoni. Sono meno tossiche rispetto ad altri microrganismi. Sono anche più economiche e facili da produrre.
Il nostro microrobot bioibrido, chiamato algae-NP(DOX)-robot, combina microscopiche microalghe verdi vive comunemente utilizzate nei prodotti farmaceutici, Chlamydomonas reinhardtii, con nanoparticelle rivestite con membrane di globuli rossi. Le membrane cellulari agiscono come un "camuffamento" naturale per migliorare la biocompatibilità del microrobot e impedirne l'attacco da parte del sistema immunitario del paziente. All'interno delle nanoparticelle è presente un comune tipo di farmaco chemioterapico chiamato doxorubicina.
Abbiamo testato i nostri microrobot basati sulle alghe su topi con metastasi polmonari. Somministrando questi microrobot basati sulle alghe attraverso la trachea, potremmo trasportare il farmaco direttamente nei polmoni e ridurre al minimo gli effetti collaterali su altri organi. Una volta nei polmoni, il nostro microrobot basato sulle alghe potrebbe nuotare e distribuire il farmaco nel tessuto polmonare. Potrebbe anche eludere la distruzione da parte delle cellule immunitarie nei polmoni, consentendo al farmaco di essere gradualmente rilasciato dalle nanoparticelle.
In precedenza, i ricercatori hanno utilizzato i loro microrobot basati sulle alghe per curare la polmonite.
Rispetto al farmaco libero e alle nanoparticelle cariche di farmaco statiche che non possono muoversi da sole, i nostri microrobot bioibridi si accumulavano in concentrazioni maggiori e venivano trattenuti più a lungo nei polmoni.
Somministrando in modo più efficace la chemioterapia ai tessuti polmonari malati, i nostri microrobot bioibridi hanno migliorato significativamente i risultati terapeutici riducendo i tumori polmonari e prolungando la sopravvivenza dei topi trattati. I topi trattati con i nostri microrobot basati sulle alghe hanno sperimentato un aumento del 40% del tempo di sopravvivenza mediano, estendendo la sopravvivenza da 27 a 37 giorni.
Le cellule immunitarie alla fine scompongono i microrobot in componenti non tossici e li rimuovono completamente dal corpo.
Trattamenti di bioingegneria
I nostri risultati mostrano che i microrobot bioibridi presentano un approccio potente per somministrare farmaci ai polmoni per curare le malattie polmonari.
In precedenza abbiamo utilizzato la nostra piattaforma di microrobot di microalghe verdi per curare la polmonite polmonare acuta. Ora ci stiamo concentrando sul trattamento di altre difficili malattie polmonari, come la fibrosi cistica e la fibrosi polmonare idiopatica.
Stiamo anche lavorando per sviluppare un modo per somministrare in modo più efficace e non invasivo i nostri microrobot bioibridi. L'integrazione di ulteriori strategie di controllo del movimento, come la guida magnetica o la cattura degli ultrasuoni, potrebbe migliorare l'accumulo di farmaci in siti bersaglio specifici nel corpo.
Ci vorrà del tempo prima che i nostri microrobot bioibridi appaiano in clinica. Ma nel complesso, la combinazione di microalghe vive con nanoparticelle rivestite di membrana cellulare per somministrare farmaci può contribuire a gettare le basi per trattamenti bioingegnerizzati contro il cancro.
By Zhengxing Li, Ph.D. Candidate in Materials Science and Engineering, University of California, San Diego
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