Milioni di persone in tutto il mondo sono colpite dal cancro ogni anno; a più del 39% degli uomini e delle donne viene diagnosticato un cancro nel corso della loro vita. La chemioterapia è il trattamento standard del cancro più comunemente impiegato e la somministrazione mirata di questi farmaci al sito del tumore ne aumenta l’efficacia. Tuttavia, i farmaci in eccesso possono ancora circolare nel resto del corpo e causare molteplici effetti collaterali, tra cui anemia, infezioni croniche, caduta dei capelli, ittero e febbre.
Sono stati tentati numerosi metodi proposti per rimuovere dal sangue i farmaci chemioterapici indesiderati, in particolare il farmaco ampiamente utilizzato doxorubicina (DOX). Ma questi metodi hanno portato a livelli non sufficientemente bassi di rimozione di DOX. Strategie aggiuntive che utilizzano nanoparticelle caricate elettricamente per legare il DOX perdono efficacia con l’esposizione alle molecole cariche e alle proteine presenti nel sangue, nonostante l’aggiunta di materiali destinati a proteggere la capacità di legame.
Un team collaborativo, che comprendeva scienziati della Pennsylvania State University e del Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI), ha ideato un metodo per affrontare queste sfide.
Il metodo, descritto in Materials Today Chemistry , si basa su nanocristalli di cellulosa pelosa -; nanoparticelle sviluppate dal componente principale delle pareti cellulari delle piante e progettate per avere un numero immenso di “peli” di catena polimerica che si estendono da ciascuna estremità. Questi peli aumentano significativamente la potenziale capacità di cattura del farmaco dei nanocristalli oltre a quella delle nanoparticelle e di altri materiali convenzionali.
Per produrre i nanocristalli di cellulosa pelosa in grado di catturare i farmaci chemioterapici, i ricercatori hanno trattato chimicamente le fibre di cellulosa presenti nella polpa di legno tenero e hanno conferito una carica negativa ai peli, rendendoli stabili contro le molecole cariche presenti nel sangue. Ciò corregge i problemi riscontrati con le nanoparticelle convenzionali, la cui carica può essere resa inerte o ridotta se esposta al sangue, limitando il numero di molecole di farmaco con carica positiva a cui può legarsi in numeri insignificanti.
L’ efficacia di legame dei nanocristalli è stata testata nel siero umano, la porzione liquida del sangue ricca di proteine. Per ogni grammo di nanocristalli di cellulosa pelosa, più di 6.000 milligrammi di DOX sono stati effettivamente rimossi dal siero. Ciò rappresenta un aumento della cattura DOX di due o tre ordini di grandezza rispetto ad altri metodi attualmente disponibili.
Inoltre, la cattura di DOX si è verificata immediatamente dopo l’aggiunta dei nanocristalli e i nanocristalli non hanno avuto effetti tossici o nocivi sui globuli rossi nel sangue intero o sulla crescita cellulare delle cellule ombelicali umane.
Un mezzo così potente per catturare i farmaci all’interno del corpo può avere un grande impatto sui regimi di trattamento del cancro, poiché le dosi possono essere elevate a livelli più efficaci senza la preoccupazione di effetti collaterali dannosi.
Il ricercatore principale, Amir Sheikhi, assistente professore di ingegneria chimica e ingegneria biomedica alla Penn State, ha offerto un esempio di tale applicazione. “Per alcuni organi, come il fegato, la chemioterapia può essere somministrata localmente attraverso cateteri. Se potessimo posizionare un dispositivo basato sui nanocristalli per catturare i farmaci in eccesso che escono dalla vena cava inferiore del fegato, un importante vaso sanguigno, i medici potrebbero potenzialmente somministrare dosi più elevate della chemioterapia per uccidere il cancro più rapidamente senza preoccuparsi di danneggiare le cellule sane. Una volta terminato il trattamento, il dispositivo potrebbe essere rimosso”.
Oltre a rimuovere i farmaci chemioterapici in eccesso dal corpo, i nanocristalli di cellulosa pelosa potrebbero anche prendere di mira altre sostanze indesiderabili come tossine e farmaci che creano dipendenza per la rimozione dal corpo, e gli esperimenti hanno anche dimostrato l’efficacia dei nanocristalli in altre applicazioni di separazione, come in il recupero di elementi di valore dai rifiuti elettronici.
Quello che era iniziato come un concetto relativamente semplice si è evoluto in un mezzo altamente efficace per la separazione dei materiali. Ciò crea il potenziale per applicazioni biomediche e di scienza dei materiali ad ampio raggio e di grande impatto”.
Ali Khademhosseini, Direttore e CEO, Terasaki Institute for Biomedical Innovation
