Immagine, sei giorni dopo il trattamento con IGF-1 trasportato da nanoparticelle di dendrimero (blu), le particelle sono penetrate attraverso la cartilagine dell’articolazione del ginocchio. Credito: Brett Geiger e Jeff Wyckoff.
L‘osteoartrite, una malattia che causa gravi dolori articolari, colpisce oltre 20 milioni di persone negli Stati Uniti. Alcuni trattamenti farmacologici possono aiutare ad alleviare il dolore, ma non ci sono trattamenti che possono invertire o rallentare il danno alla cartilagine associato alla malattia.
Con un anticipo che potrebbe migliorare le opzioni di trattamento disponibili per l’osteoartrite, i tecnici del MIT hanno progettato un nuovo materiale in grado di somministrare i farmaci direttamente alla cartilagine. Il materiale può penetrare in profondità nella cartilagine, fornendo farmaci che potrebbero potenzialmente guarire i tessuti danneggiati.
“Questo è un modo per arrivare direttamente alle cellule che stanno vivendo il danno e introdurre diversi tipi di terapie che potrebbero cambiare il loro comportamento”, dice Paula Hammond, capo del Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT, membro del Koch Institute of Integrative del MIT per la ricerca sul cancro e autore senior dello studio.
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In uno studio su ratti, i ricercatori hanno dimostrato che il rilascio di un farmaco sperimentale chiamato fattore di crescita insulino-simile 1 (IGF-1) con questo nuovo materiale ha prevenuto la rottura della cartilagine molto più efficacemente delle iniezioni di farmaco nell’articolazione.
Brett Geiger, uno studente laureato al MIT, è l’autore principale dell’articolo che appare nel numero del 28 novembre di Science Translational Medicine. Altri autori sono Sheryl Wang, uno studente laureato al MIT, Robert Padera, Professore associato di patologia al Brigham and Women’s Hospital e Alan Grodzinsky, un Professore di ingegneria biologica del MIT
Migliore consegna
L’osteoartrosi è una malattia progressiva che può essere causata da una lesione traumatica come la lacerazione di un legamento; può anche derivare da un progressivo logorio della cartilagine con l’invecchiamento delle persone. La cartilagine è prodotta da cellule chiamate condrociti, ma non è facilmente sostituibile una volta danneggiata.
Precedenti studi hanno dimostrato che l’IGF-1 può aiutare a rigenerare la cartilagine negli animali. Tuttavia, molti farmaci per l’osteoartrite che hanno mostrato risultati promettenti negli studi sugli animali non hanno ottenuto buoni risultati negli studi clinici.
Il team del MIT sospettava che ciò fosse dovuto al fatto che i farmaci venivano liberati dall’articolazione prima che potessero raggiungere lo strato profondo di condrociti che erano destinati a colpire. Per superare questo, i ricercatori hanno deciso di progettare un materiale che potesse penetrare completamente attraverso la cartilagine.
La molecola a forma di sfera che i ricercatori hanno trovato contiene molte strutture ramificate chiamate dendrimeri che si diramano da un nucleo centrale. La molecola ha una carica positiva sulla punta di ciascuno dei suoi rami, che aiuta a legarsi alla cartilagine caricata negativamente. Alcune di queste cariche possono essere sostituite con un polimero flessibile, idrorepellente, noto come PEG, che può oscillare sulla superficie e coprire parzialmente la carica positiva. Molecole di IGF-1 sono anche attaccate alla superficie.
Quando queste particelle vengono iniettate in un’articolazione, ricoprono la superficie della cartilagine e iniziano a diffondersi attraverso di essa. Grazie alle catene PEG flessibili sulla superficie che coprono e scoprono la carica mentre si muovono, le molecole possono staccarsi brevemente dalla cartilagine, consentendo loro di spostarsi più a fondo nel tessuto.
“Abbiamo trovato un intervallo di carica ottimale in modo che il materiale sia in grado di legare il tessuto e diffondersi ulteriormente e non essere così forte da rimanere bloccato sulla superficie”, afferma Geiger.
Una volta che le particelle raggiungono i condrociti, le molecole di IGF-1 si legano ai recettori sulle superfici delle cellule e stimolano le cellule a iniziare a produrre proteoglicani, i mattoni della cartilagine e altri tessuti connettivi. L’IGF-1 promuove anche la crescita cellulare e previene la morte cellulare.
Riparazione congiunta
Quando i ricercatori hanno iniettato le particelle nelle articolazioni del ginocchio dei ratti, hanno scoperto che il materiale aveva un’emivita di circa quattro giorni, che è 10 volte più lunga di IGF-1 iniettato da solo. La concentrazione del farmaco nelle articolazioni è rimasta abbastanza alta da avere un effetto terapeutico per circa 30 giorni. Se ciò è vero per gli esseri umani, i pazienti potrebbero trarre grandi benefici dalle iniezioni articolari che possono essere somministrate solo mensilmente o bisettimanale.
Negli studi sugli animali, i ricercatori hanno scoperto che la cartilagine nelle articolazioni ferite trattate con la combinazione di nanoparticelle era molto meno danneggiata della cartilagine nelle articolazioni non trattate o nelle articolazioni trattate con IGF-1 da solo. Le articolazioni hanno anche mostrato riduzioni nell’infiammazione delle articolazioni e nella formazione di spurie ossee.
La cartilagine nelle articolazioni dei ratti ha uno spessore di circa 100 micron, ma i ricercatori hanno anche dimostrato che le loro particelle potrebbero penetrare frammenti di cartilagine fino a 1 millimetro, lo spessore della cartilagine in un’articolazione umana.
“Questa è una cosa molto difficile da fare: i farmaci in genere vengono eliminati prima che siano in grado di muoversi attraverso gran parte della cartilagine”, afferma Geiger.
I ricercatori hanno iniziato a sviluppare questo materiale come un modo per curare l’artrosi che si manifesta dopo una lesione traumatica, ma ritengono che potrebbe anche essere adattato per trattare l’artrosi legata all’età. Ora intendono esplorare la possibilità di fornire diversi tipi di farmaci, come altri fattori di crescita, farmaci che bloccano le citochine infiammatorie e acidi nucleici come il DNA e l’RNA, con la nuova strategia.
Fonte, Science
