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Cosa succede quando si respirano le nanoparticelle
Gli scienziati hanno tracciato per la prima volta il flusso di nanoparticelle dai polmoni al flusso sanguigno. Il lavoro potrebbe portare allo sviluppo di nuovi farmaci e aiutare i ricercatori a capire come l'inquinamento può causare problemi respiratori.
Viaggiare leggero: I ricercatori hanno monitorato il movimento delle nanoparticelle dai polmoni (l'area verde a sinistra) di un ratto ai linfonodi (l'area verde al centro) e al resto del corpo.
I ricercatori del Beth Israel Deaconess Medical Center e della Harvard School of Public Health hanno iniettato nanoparticelle fluorescenti nei polmoni dei ratti e hanno utilizzato l'imaging nel vicino infrarosso per osservare come le particelle si muovevano attraverso i loro corpi. I ricercatori hanno monitorato la distanza e la velocità con cui le nanoparticelle di diverse dimensioni, forma e carica superficiale sono state in grado di viaggiare dopo essere state iniettate. Hanno scoperto che le nanoparticelle tra i sei e i 34 nanometri di diametro erano in grado di superare le difese polmonari per raggiungere i linfonodi e il flusso sanguigno. Questa scoperta può fornire preziose linee guida per la progettazione di farmaci a base di nanoparticelle.
La minuscola dimensione delle nanoparticelle le rende potenzialmente utili per la somministrazione di farmaci. Un farmaco deve superare le barriere tissutali e combattere le cellule immunitarie attaccanti del corpo per fornire il suo carico terapeutico prima di uscire dal corpo per prevenire una reazione tossica. Gli scienziati stanno manipolando le dimensioni, la forma e altre caratteristiche delle nanoparticelle per trovare la giusta combinazione che le trasporterà efficacemente attraverso il corpo.
C'è una curva di apprendimento che tutti noi stiamo attraversando, dice Steven Brody , professore associato di medicina presso la Washington University School of Medicine. Quando iniziamo a progettare nanoparticelle come veicoli per la somministrazione di farmaci, dobbiamo iniziare a capire quali sono le regole. Questo inizia a darci alcune regole.
Akira Tsuda , ricercatore principale presso la Harvard School of Public Health, afferma che i polmoni possono essere un buon punto di ingresso per i farmaci: hanno una superficie ampia e sottile attraverso la quale i farmaci possono attraversare il resto del corpo. Ma i polmoni hanno anche potenti meccanismi difensivi, con cellule immunitarie costantemente in perlustrazione, alla ricerca di molecole estranee da distruggere. Finora, non è stato chiaro esattamente quale sia il meccanismo che consente ad alcune particelle di passare attraverso i polmoni mentre altre vengono catturate e distrutte. Comprendere ciò potrebbe aiutare i ricercatori a progettare farmaci più efficaci e potrebbe fornire una migliore comprensione degli inquinanti ambientali.
Tsuda ha collaborato con un esperto di imaging Giovanni Frangioni della Harvard Medical School, che ha progettato il sistema di imaging utilizzato per tracciare le nanoparticelle. Hak Soo Choi, un istruttore di medicina presso la Harvard Medical School, ha contribuito a progettare una serie di nanoparticelle di punti quantici - minuscoli cristalli semiconduttori - e ha alterato sistematicamente le loro dimensioni, forma e carica superficiale. Hanno attaccato una sonda fluorescente a ciascuna nanoparticella per farla brillare attraverso il corpo quando viene visualizzata utilizzando il dispositivo di imaging nel vicino infrarosso.
Plastica Pelham , un produttore di dispositivi medici con sede nel New Hampshire, ha sviluppato un catetere su misura per somministrare le nanoparticelle in un polmone di ratto. Il catetere ha consentito ai ricercatori di iniettare nanoparticelle direttamente nel polmone, ventilando allo stesso tempo il polmone per simulare la respirazione.
Il team ha monitorato il flusso di nanoparticelle in tempo reale, fino a un'ora dopo l'iniezione. Tsuda ha scoperto che la dimensione era il determinante più importante per il passaggio attraverso i polmoni, seguita dalla carica superficiale di una nanoparticella. Le particelle più piccole di sei nanometri e dipolari (sia caricate positivamente che negativamente) hanno viaggiato dai polmoni ai linfonodi e nel flusso sanguigno in pochi minuti. Queste stesse particelle si sono accese nei reni poco dopo, il che implica che potrebbero essere facilmente espulse dal corpo. I risultati sono pubblicati nell'ultimo numero della rivista Biotecnologie naturali .
David Edwards, Gordon McKay Professor della pratica dell'ingegneria biomedica all'Università di Harvard, vede i risultati del gruppo come un progetto di partenza per la progettazione di vaccini efficaci, che sono spesso mirati alle cellule immunitarie nei linfonodi. Edwards afferma che i loro risultati potrebbero fornire una spiegazione molecolare per il successo di alcuni vaccini, come il vaccino contro l'epatite B, che è costituito da molecole nell'intervallo da sei a 34 nanometri. Questo improvvisamente chiarisce solo questo problema di cosa sta entrando esattamente nel sistema linfatico e cosa potrebbe entrare nel flusso sanguigno, dice.
Questo lavoro apre la strada a nuovi approcci terapeutici non solo per la somministrazione locale ai polmoni, ma anche per la somministrazione sistemica tramite somministrazione polmonare, afferma Giuseppe De Simone , direttore di nanomedicina presso l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill.
In futuro, Tsuda e i suoi colleghi hanno in programma di condurre studi simili per valutare il comportamento delle nanoparticelle dalle cavità nasali al cervello. Sperano di definire linee guida simili con le quali i farmaci possono essere progettati e somministrati per via intranasale per trattare i disturbi neurologici.
Sarebbe interessante utilizzare il loro approccio per esplorare problemi e opportunità per attraversare la barriera emato-encefalica tramite somministrazione intranasale, afferma DeSimone.