Rilascio mirato dei farmaci: come sfruttare la cavitazione per facilitare la permeabilità dei vasi sanguigni e colpire solo i tessuti malati

La somministrazione di medicinali, tramite sistemi nanotecnologici di rilascio del farmaco, permette di ottenere vantaggi rispetto alle terapie farmacologiche convenzionali e in questo campo il drug delivery localizzato rappresenta una delle opportunità più rilevanti per la somministrazione alternativa di farmaci, destinata soprattutto ai malati cronici che necessitano di dosi massicce e continue di medicinale, subendo gli effetti collaterali derivanti dal loro utilizzo prolungato. Per tale ragione, studiare i meccanismi che favoriscono il passaggio mirato di molecole attraverso la barriera endoteliale che riveste i vasi sanguigni è fondamentale al fine di ridurre gli effetti di tossicità dovuti alla diffusione del medicinale nel sistema circolatorio e nei tessuti sani circostanti.
Il gruppo di ricercatori guidato da Carlo Massimo Casciola del Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale della Sapienza, in collaborazione con il Center for Life Nano Science dell’Istituto italiano di tecnologia e il Department of Mechanical Engineering della Temple University di Philadelphia, ha sviluppato una nuova metodologia per indurre l’apertura delle giunzioni inter-cellulari in vitro attraverso la cavitazione e misurare i livelli di permeabilità dell’endotelio al fine di migliorare l’efficacia dei farmaci e circoscriverne l’effetto nell’organismo. Lo studio, recentemente pubblicato sulla rivista Small, è volto alla validazione di protocolli per applicazioni in vivo della cavitazione a ultrasuoni.
Grazie ai recenti progressi nel campo delle micro e nanotecnologie il team ha potuto ricreare in vitro un vaso sanguigno e nello specifico una membrana di cellule endoteliali in grado di agire come barriera biologica grazie alla corretta formazione delle giunzioni inter-cellulari. Attraverso un dispositivo microfluidico, blood vessel-on-a-chip, sono stati riprodotti i parametri fisiologici del flusso sanguigno che hanno permesso di ottenere un endotelio artificiale capace di svolgere correttamente la funzione di barriera.
Per indurre gli effetti meccanici della cavitazione sull’endotelio, nei vasi sanguigni sono state iniettate delle micro-bolle, tipicamente agenti di contrasto per ecografia, e sono state sottoposte a ultrasuoni. Gli effetti della cavitazione sulla vitalità delle cellule e sull’integrità delle giunzioni inter-cellulari sono poi stati valutati con l’immunofluorescenza attraverso microscopia confocale e attraverso analisi di immagine.
“I risultati – spiega Carlo Massimo Casciola – hanno mostrato come le micro-bolle amplifichino l’effetto degli ultrasuoni inducendo l’apertura temporanea delle giunzioni inter-cellulari da cui consegue la permeabilizzazione della barriera endoteliale. L’apertura delle giunzioni inoltre si è dimostrata completamente reversibile e quindi potenzialmente sicura per l’integrità dell’endotelio”.
La novità della ricerca risiede nella possibilità di misurare l’apertura della barriera in modo quantitativo e in condizioni riproducibili. Questo offre nuove prospettive di studio per valutare la permeabilizzazione dell’endotelio in tessuti malati allo scopo di raffinare il sistema di rilascio controllato di farmaci.
Al lavoro, caratterizzato dalla convergenza di competenze di ingegneria e biologia, hanno collaborato il gruppo di ricercatori coordinato da Carlo Massimo Casciola per la Sapienza, il gruppo di ricercatori supervisionato da Giovanna Peruzzi per il CLNS-IIT e Mohammad Kiani per la Temple University di Philadelphia. La piattaforma per l’indagine sperimentale è stata sviluppata nell’ambito del progetto europeo Horizon 2020 - ERC Proof of Concept e gli esperimenti sono stati effettuati presso i laboratori del CLNS-IIT.
 
Riferimenti:
Reversible Cavitation-Induced Junctional Opening in an Artificial Endothelial Layer - Giulia Silvani, Chiara Scognamiglio, Davide Caprini, Luca Marino, Mauro Chinappi, Giorgia Sinibaldi, Giovanna Peruzzi, Mohammad F. Kiani, Carlo M. Casciola - Small (2019) DOI https://doi.org/10.1002/smll.201905375
 
Info
Carlo Massimo Casciola
Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale
carlomassimo.casciola@uniroma1.it

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