Microdispositivi che forniscono farmaci all'interno del corpo

Ispirati da un verme parassita che scava i suoi denti affilati nell'intestino del suo ospite, i ricercatori hanno progettato minuscoli microdispositivi a forma di stella che possono attaccarsi alla mucosa intestinale e rilasciare farmaci nel corpo.

Il dottor David Gracias, Ph.D., (1) professore presso la Johns Hopkins University Whiting School of Engineering, e il gastroenterologo della Johns Hopkins, il dottor Florin Marian Selaru, MD, (2) direttore del Johns Hopkins Inflammatory Bowel Disease Center, hanno guidato un team di ricercatori e ingegneri biomedici per la progettazione, creazione e collaudo di microdispositivi capaci di mutare la loro forma e mimare il modo in cui il parassita hookworm (3) si attacca all'intestino di un organismo.

Realizzati in metallo e in una pellicola sottile che cambia forma sono rivestiti in una paraffina termosensibile. Questi “Theragrippers”, ciascuno delle dimensioni approssimative di un granello di polvere, possono potenzialmente trasportare qualsiasi farmaco e rilasciarlo gradualmente nel corpo.

Il team ha pubblicato i risultati di uno studio sugli animali come articolo di copertina sulla rivista Science Advances. (4)

Il rilascio graduale o prolungato di un farmaco è un obiettivo a lungo ricercato in medicina. Il dottor Florin Marian Selaru spiega che un problema con i farmaci a rilascio prolungato è che spesso si fanno strada interamente attraverso il tratto gastrointestinale prima di aver finito di dispensare i farmaci. «La normale costrizione e il rilassamento dei muscoli del tratto gastrointestinale rendono impossibile che i farmaci a rilascio prolungato rimangano nell'intestino abbastanza a lungo da consentire al paziente di ricevere la dose completa», afferma Selaru, che ha collaborato con Gracias per più di 10 anni. «Abbiamo lavorato per risolvere questo problema progettando questi piccoli trasportatori di farmaci che possono attaccarsi autonomamente alla mucosa intestinale e mantenere il carico di farmaco all'interno del tratto gastrointestinale per una durata di tempo desiderata».

Migliaia di “Theragrippers” possono essere impiegati nel tratto gastrointestinale. Quando il rivestimento di paraffina sulle pinze raggiunge la temperatura all'interno del corpo, i dispositivi si chiudono autonomamente e si agganciano alla parete del colon. L'azione di chiusura fa sì che i minuscoli dispositivi a sei punte penetrino nella mucosa e rimangano attaccati al colon, dove vengono trattenuti e rilasciano gradualmente i carichi utili del medicinale nel corpo. Alla fine, i “theragrippers” perdono la presa sul tessuto e vengono espulsi dall'intestino tramite la normale funzione muscolare gastrointestinale.

Il dottor Gracias rileva i progressi nel campo dell'ingegneria biomedica negli ultimi anni. Egli puntualizza: «Abbiamo assistito all'introduzione di dispositivi intelligenti dinamici microfabbricati che possono essere controllati da segnali elettrici o chimici, ma queste pinze sono così piccole che batterie, antenne e altri componenti non si adattano a loro. I “theragrippers” non fanno affidamento su elettricità, segnali wireless o controlli esterni. Questi microdispositivi funzionano come piccole molle compresse con un rivestimento attivato dalla temperatura che rilascia l'energia immagazzinata in modo autonomo a temperatura corporea».

I ricercatori della Johns Hopkins hanno fabbricato i dispositivi con circa 6.000 “Theragrippers” per wafer di silicio da circa 7 centimetri. Nei loro esperimenti sugli animali, hanno caricato un farmaco antidolorifico sulle pinze. Gli studi dei ricercatori hanno scoperto che gli animali in cui sono stati somministrati i “Theragrippers” avevano concentrazioni più elevate di analgesico nel flusso sanguigno rispetto al gruppo di controllo. Il farmaco è rimasto nei sistemi dei soggetti del test per quasi 12 ore contro due ore nel gruppo di controllo.

Oltre a Gracias e Selaru, gli autori dell'articolo del giornale sono Arijit Ghosh, Liyi Xu, Neha Gupta, Qianru Lin, Gayatri Pahapale, Wangqu Lu e Anjishnu Sarkar del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare della Johns Hopkins University; Ling Li e Venkata Akshintala della Divisione di Gastroenterologia ed Epatologia della Johns Hopkins University School of Medicine; Ranjeet Dash, Jenny Lam e Rana Rais della Johns Hopkins Drug Discovery e del Dipartimento di Neurologia della Johns Hopkins University School of Medicine.

Il lavoro è stato finanziato dal National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering presso il National Institutes of Health e dalla National Science Foundation. La Johns Hopkins University ha depositato brevetti per conto di Gracias e Selaru relativi a questa tecnologia in conformità con le politiche sul conflitto di interessi dell'università.

Riferimenti:

(1) David Gracias

(2) Florin Marian Selaru

(3) Hookworm

(4) Gastrointestinal-resident, shape-changing microdevices extend drug release in vivo

Descrizione foto:

Foto sinistra: Quando un “Theragripper” aperto, sinistro, è esposto alla temperatura interna del corpo, si chiude sulla parete interna. Al centro della pinza c'è uno spazio per una piccola dose di un farmaco.

Foto destra: Un theragripper ha le dimensioni di un granello di polvere. Questo tampone contiene dozzine di piccoli dispositivi.

Credit: Johns Hopkins University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Johns Hopkins Researchers Engineer Tiny, Shape-Changing Machines That Deliver Medicine Efficiently to the GI Tract