Printzyme: un dispositivo stampato in 3D personalizzabile per la rimozione enzimatica di farmaci in
L’ingresso involontario di farmaci nelle riserve idriche mondiali è una delle principali preoccupazioni sia per l’equilibrio ambientale che per la salute umana. Fatto preoccupante, i farmaci sono stati identificati in quasi tutti i tipi di compartimenti acquatici, comprese le acque sotterranee, marine e potabili, generalmente a concentrazioni da ng a µ g/L (sebbene casi superiori a 100 mg/L non siano rari). Analgesici, antibiotici, farmaci ipolipemizzanti ed estrogeni sono riconosciuti a livello mondiale come contaminanti chiave dell’acqua, molti dei quali sono elencati nell’elenco di controllo europeo. Sono stati proposti diversi metodi per la rimozione di farmaci dai sistemi acquosi (come biofiltrazione, osmosi inversa e processi di fanghi), tuttavia nessuno è ideale a causa dei bassi tassi di rimozione dei farmaci, dei costi elevati e della necessità di grandi attrezzature.
Per affrontare questa carenza, abbiamo recentemente progettato, fabbricato e convalidato Printzyme, un sistema di idrogel stampato in 3D caricato con laccasi proveniente da Trametes Versicolor . L’enzima laccasi è ampiamente riconosciuto per le sue proprietà di degradazione del farmaco attraverso la biocatalisi e la sua immobilizzazione all’interno di Printzyme ne consente l’uso in modo specifico per il processo e riutilizzabile. Poiché le strutture Printzyme possono essere progettate e stampate in un numero infinito di morfologie, il sistema è applicabile per l’uso in un ampio numero di applicazioni. Ad esempio, Printzymes potrebbe essere fabbricato per adattarsi a strutture di tubi dell’acqua uniche, offrendo un’alta risoluzione grazie alla precisione della stampa 3D stereolitografica.
I nostri risultati hanno mostrato che l’immobilizzazione della laccasi all’interno di Printzyme ha protetto significativamente l’attività enzimatica a valori estremi di pH e temperatura rispetto alla laccasi libera. Inoltre, i singoli Printzymes hanno mantenuto la loro attività biocatalitica per almeno 18 cicli unici di utilizzo. Quando applicato alla rimozione di farmaci, Printzymes ha rimosso > 90% di diclofenac ed etinilestradiolo dalla soluzione acquosa in 24 e 2 ore, rispettivamente. Questo lavoro mostra la tecnologia Printzyme come un metodo economico, personalizzabile e sostenibile per affrontare la crisi mondiale dell’inquinamento idrico.
I ricercatori dello specialista di stampa 3D farmaceutica FabRx , University College London e Universidade de Santiago de Compostela (USC) hanno sviluppato un nuovo dispositivo stampato in 3D in grado di rimuovere i farmaci dall’acqua.
L’infiltrazione di farmaci nelle riserve idriche ambientali è un problema globale chiave che può avere enormi impatti sull’equilibrio ecologico e comportare rischi significativi per la salute umana.
Il dispositivo biocatalitico personalizzabile e riutilizzabile del team, chiamato Printzyme, è in grado di rimuovere alcuni farmaci dall’acqua e potrebbe potenzialmente aiutare ad affrontare la crisi mondiale dell’inquinamento idrico in futuro.
FabRx è uno spin-out di UCL che sfrutta le tecnologie di stampa 3D per creare farmaci personalizzati e dispositivi per la somministrazione di farmaci.
La società ha precedentemente lavorato con UCL e USC per sviluppare compresse masticabili stampate in 3D personalizzate per bambini con il raro disturbo metabolico malattia delle urine a sciroppo d’acero (MSUD) e ha sfruttato la stampa 3D per fabbricare i suoi Printlet con motivi Braille e Luna per aiutare l’assunzione di farmaci per pazienti con disabilità visive.
Più di recente, i tre partner hanno lavorato insieme per sviluppare plug punctal stampati in 3D per combattere il disturbo dell’occhio secco. I tappi punctal sono stati caricati con il farmaco antinfiammatorio desametasone e inseriti nel condotto lacrimale di un occhio per bloccarlo e impedire il drenaggio dei liquidi.
Ora, il team sta rivolgendo la sua attenzione allo studio di come la stampa 3D può aiutare a ridurre l’inquinamento dannoso dei farmaci all’interno delle nostre riserve idriche ambientali.
Printzymes stampato in 3D con due toroidi e due cilindri. Immagine tramite la rivista Water Research.
Inquinamento delle acque farmaceutiche
Al giorno d’oggi, gli individui assumeranno dozzine di farmaci nella loro vita a ritmi crescenti, specialmente con l’avanzare dell’età. Man mano che vengono consumate più medicine, più vengono successivamente escrete o eliminate e alla fine trovano la loro strada nei nostri sistemi idrici. In effetti, secondo quanto riferito, i farmaci e i loro metaboliti sono presenti in quasi tutti gli ambienti acquatici, comprese l’acqua potabile, le acque sotterranee e i nostri oceani.
Questo inquinamento è un problema globale, con antibiotici, analgesici, farmaci ipolipemizzanti ed estrogeni i farmaci inquinanti dell’acqua più segnalati in tutto il mondo, sebbene la reale portata sia in gran parte sconosciuta. L’infiltrazione di tali inquinanti nei nostri sistemi idrici rappresenta un rischio significativo non solo per la salute umana ma anche per l’equilibrio ecologico.
Ad esempio, uno dei farmaci più prolifici che entrano nell’acqua, il diclofenac, si è dimostrato letale per gli uccelli migratori come gli avvoltoi, mentre gli estrogeni negli scarichi fognari hanno portato alla femminilizzazione dei pesci maschi, il che ha un impatto drastico sul loro successo riproduttivo. E non sono solo i farmaci che entrano nei nostri sistemi idrici, ma anche sostanze ricreative come cocaina, oppioidi e metanfetamine.
Mentre l’ Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha lanciato un gruppo di lavoro per affrontare l’infiltrazione di farmaci nell’acqua, i metodi proposti per rimuovere i farmaci dall’acqua hanno finora una vasta gamma di efficacia. I processi dei fanghi, la biofiltrazione, l’osmosi inversa e la nanofiltrazione sono solo alcuni dei metodi proposti, con alcuni che offrono tassi di rimozione dei farmaci inferiori al 10%.
Pertanto, FabRx, UCL e USC stanno tentando di affrontare la necessità di tecniche più efficaci per rimuovere farmaci e sostanze inquinanti dall’acqua in modo più semplice ed economico tramite la stampa 3D.
Il team combinato ha svolto uno studio per sviluppare, produrre e convalidare un dispositivo biocatalitico stampato in 3D per la rimozione di farmaci dalle acque reflue in fonti concentrate come ospedali o strutture farmaceutiche.
Il dispositivo Printzyme ha una morfologia completamente personalizzabile e utilizza l’enzima naturale laccasi come agente ossidante del farmaco che ha dimostrato di degradare un’ampia gamma di prodotti farmaceutici.
Sono state preparate resine fotopolimeriche contenenti laccasi, un fotoiniziatore (LAP) e una miscela di PEGDA e acqua. La resina caricata con enzimi è stata quindi versata nel serbatoio di resina di una stampante 3D SLA Form 2 di Formlabs , da cui sono state stampate in 3D quattro diverse forme di Printzymes.
I Printzyme sono stati fabbricati in un’ora e mezza prima di essere lavati e polimerizzati nelle macchine Form Wash e Form Cure di Formlabs , con oltre 50 Printzyme che possono essere prodotti contemporaneamente in forme cilindriche e toroidali.
La capacità dei Printzymes di rimuovere i farmaci dall’acqua è stata testata utilizzando due farmaci modello, il diclofenac e l’etinilestradiolo, entrambi nella lista europea di controllo dell’inquinamento idrico. Soluzioni separate dei farmaci sono state preparate all’interno di un pallone da 100 ml, all’interno del quale è stato depositato un Printzyme e agitato continuamente a 100 rpm per 48 ore.
È stato scoperto che il dispositivo Printzyme riduce con successo le concentrazioni di entrambi i farmaci all’interno delle soluzioni, rimuovendo oltre l’80% del diclofenac disciolto entro 24 ore e il 95% dell’etinilestradiolo in sole due ore.
Secondo i ricercatori, lo studio dimostra il potenziale della stampa 3D SLA come approccio semplificato per intrappolare gli enzimi in condizioni miti. Il team afferma che i risultati presentano un approccio “significativamente efficace e sostenibile” per rimuovere i contaminanti farmaceutici dall’acqua e mostrano un grande potenziale per l’ulteriore sviluppo delle tecniche di biorisanamento.
Durante lo studio è stato anche dimostrato che il dispositivo Printzyme è riutilizzabile e potrebbe potenzialmente aiutare ad affrontare in modo più efficiente la crisi mondiale dell’inquinamento idrico in modo “flessibile, facilmente scalabile ed efficiente in termini di costi”.
Ulteriori informazioni sullo studio possono essere trovate nel documento intitolato: “Un dispositivo stampato in 3D personalizzabile per la rimozione enzimatica dei farmaci nell’acqua”, pubblicato sulla rivista Water Research. Lo studio è co-autore di X. Xu, T. Pose-Boirazian, G. Eibes, L. McCoubrey, J. Martinez-Costas, S. Gaisford, A. Goyanes e A. Basit.
