Tumori cerebrali più “curabili” con nuovo dispositivo biodegradabile

Tumori cerebrali-Immagine: nanofibre di glicina filate con policaprolattone (PCL). Credito: Meysam T. Chorsi et al-

“Un nuovo dispositivo per ultrasuoni biodegradabile, molto più potente dei dispositivi precedenti, potrebbe rendere i tumori cerebrali più curabili”, riferiscono i ricercatori dell’Università del Connecticut nel numero del 14 giugno di Science Advances.

Il cancro al cervello colpisce più di 24.000 persone negli Stati Uniti ogni anno e più di 18.000 americani moriranno di uno nel 2023, secondo l’American Cancer Society.

Quando a qualcuno viene diagnosticato un tumore al cervello, di solito viene rimosso chirurgicamente e quindi viene utilizzata la chemioterapia per colpire le rimanenti cellule tumorali rimaste. Ma i tumori cerebrali sono particolarmente resistenti alla chemioterapia perché il rivestimento dei vasi sanguigni che costituisce la barrira emato encefalica, impedisce il passaggio di grandi molecole che potrebbero potenzialmente danneggiare il cervello.

La barriera impedisce anche che farmaci chemioterapici utili e altre terapie uccidano le cellule del cancro al cervello e trattino altre malattie del cervello. Un modo sicuro ed efficace per superare la barriera emato-encefalica, come è noto, è usare gli ultrasuoni per muovere le cellule abbastanza da aprire pori grandi da consentire il passaggio del medicinale.

Ma ottenere gli ultrasuoni attraverso lo spesso cranio umano non è facile. In generale, più potenti dispositivi a ultrasuoni devono essere posizionati strategicamente attorno al cranio e focalizzati con attenzione sul sito del tumore con una macchina per risonanza magnetica immediatamente dopo la somministrazione della chemioterapia in Ospedale.

Il processo richiede cinque o sei ore e i potenti ultrasuoni possono essere dannosi per i tessuti. Raramente viene eseguito più di una volta, anche se la maggior parte dei pazienti con tumori cerebrali aggressivi riceve la chemioterapia per mesi. L’applicazione di ultrasuoni ogni volta che il paziente ha ricevuto la chemioterapia sarebbe molto più efficace. Ma poiché il processo di risonanza magnetica-ecografia è così ingombrante, viene eseguito raramente.

“Possiamo evitare tutto ciò utilizzando “un dispositivo impiantato” all’interno del cervello stesso”, afferma l’ingegnere biomedico Thanh Nguyen. “Possiamo usarlo ripetutamente, permettendo alla chemio di penetrare nel cervello e uccidere le cellule tumorali“. Esiste già un dispositivo ad ultrasuoni impiantabile disponibile in commercio, ma è realizzato con materiali ceramici potenzialmente tossici e deve essere rimosso chirurgicamente al termine del trattamento.

Il laboratorio di Nguyen è specializzato in polimeri piezoelettrici biodegradabili. Piezoelettrico significa che un materiale vibra quando viene attraversato da una piccola corrente elettrica. I ricercatori avevano già costruito un impianto cerebrale a ultrasuoni piezoelettrico sicuro e biodegradabile, ma non era potente come la tradizionale ceramica piezoelettrica. Quindi il laboratorio Nguyen con gli studenti laureati Thinh T. Le e Meysam Chorsi, che è co-diretto dal Professore di ingegneria Horea Ilies e dal Preside di ingegneria Kazem Kazerounian, insieme al postdoc Feng Lin, ha utilizzato una tecnica completamente nuova per produrre un ecografo polimerico biodegradabile potente proprio come quello di ceramica.

Il team ha voluto utilizzare cristalli di glicina, un amminoacido che è una proteina comune nel corpo e che è stato recentemente scoperto essere fortemente piezoelettrica. La glicina è sicura e biodegradabile, ma troppo; si dissolve rapidamente in acqua. I cristalli piezoelettrici di glicina sono anche fragili e si frantumano facilmente, rendendo estremamente impegnativa la manipolazione del materiale e la sua fabbricazione in un utile dispositivo a ultrasuoni.

I ricercatori hanno trovato una nuova soluzione. Hanno coltivato cristalli di glicina e poi li hanno frantumati intenzionalmente in pezzi di appena poche centinaia di nanometri. Poi li hanno filati (sotto alta tensione in un processo chiamato elettrofilatura) con policaprolattone (PCL), un polimero biodegradabile, per realizzare pellicole piezoelettriche composte da nanofibre di glicina e PCL.

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Sotto una piccola tensione pilotata (~ 0,15 Vrms), il film può generare ultrasuoni a 334 kilo-Pascal, più o meno come un impianto cerebrale ad ultrasuoni in ceramica. Il team riveste il film di glicina-PCL in altri polimeri biodegradabili per proteggerlo. Il poli-L-lattide (PLLA), un possibile rivestimento, impiega circa sei settimane per decomporsi.

I ricercatori hanno testato il dispositivo su topi con cancro al cervello. Hanno trattato i topi con PTX (paclitaxel), una potente sostanza chimica chemioterapica efficace contro il cancro al cervello, ma difficilmente oltrepassa la barriera emato-encefalica. L’ecografia glicina-PCL ha permesso al PTX di bypassare la barriera emato-encefalica: i tumori si sono ridotti e il trattamento ha raddoppiato la vita dei topi con cancro al cervello rispetto a quelli che non hanno ricevuto alcun trattamento. Il trattamento combinato con ultrasuoni glicina-PCL + PTX è stato anche molto più efficace per i topi rispetto al trattamento con PTX da solo, o PTX e ultrasuoni dalla versione originale e meno potente del dispositivo a ultrasuoni biodegradabile del laboratorio Nguyen, basato su PLLA.

Spiegano gli autori:

“I cristalli di amminoacidi sono un materiale piezoelettrico attraente in quanto hanno un coefficiente piezoelettrico ultraelevato e hanno un profilo di sicurezza interessante per le applicazioni di impianti medici. Sfortunatamente, i film colati con solvente realizzati con cristalli di glicina sono fragili, si dissolvono rapidamente nel fluido corporeo e mancano del controllo dell’orientamento dei cristalli, riducendo l’effetto piezoelettrico complessivo. Qui, presentiamo una strategia di lavorazione del materiale per creare nanofibre biodegradabili, flessibili e piezoelettriche di cristalli di glicina incorporati all’interno di policaprolattone (PCL). Il film in nanofibra di glicina-PCL mostra prestazioni piezoelettriche stabili con un’elevata emissione di ultrasuoni di 334 kPa [meno di 0,15 Vrms (root-mean-square) di tensione], che supera i trasduttori biodegradabili all’avanguardia. Usiamo questo materiale per fabbricare un trasduttore a ultrasuoni biodegradabile per facilitare la consegna del farmaco chemioterapico al cervello. Il dispositivo migliora notevolmente il tempo di sopravvivenza degli animali (duplicato) nei modelli murini di glioblastoma ortotopico. Il glicina-PCL piezoelettrico presentato qui, potrebbe offrire un’eccellente piattaforma non solo per la terapia del glioblastoma, ma anche per lo sviluppo di campi di impianto medico“.

Oltre alla summenzionata efficacia terapeutica, il team ha già svolto uno studio di sicurezza di sei mesi sul dispositivo impiantato all’interno del cervello e ha scoperto che non ha avuto effetti negativi sulla salute dei topi. Ora i ricercatori inizieranno a testare la sicurezza e l’efficacia nei grandi animali.

Fonte:Science Advances