Polimeri thermo-responsive: una nuova frontiera per i Drug delivery systems

I ricercatori del dipartimento di Chimica ed Ingegneria Biomolecolare della Johns Hopkins University hanno sviluppato dispositivi thermo-responsive in grado di sostituire le convenzionali vie di somministrazione di farmaci, aprendo le porte a nuovi approcci per i Drug delivery systems. Tali dispositivi, chiamati theragrippers, vengono fabbricati attraverso una produzione additiva di stampa 4D, in cui il “tempo” è incorporato nel concetto convenzionale di stampa 3D come quarta dimensione. In questo processo innovativo si utilizzano materiali che rispondono a stimoli che possono essere di natura chimica o fisica.

Polimeri thermo-responsive

I polimeri thermo-responsive sono una classe di materiali “smart”, in grado di subire una transizione di fase discontinua o un cambiamento morfologico in risposta ad una variazione di temperatura. In breve, il polimero passa reversibilmente da uno stato idrofilo ad uno idrofobo in cui le catene polimeriche, da solubili, formano aggregati insolubili in seguito alle interazioni catena-catena indotte dall’incremento di temperatura. Tale proprietà rende questi materiali utili in una vasta gamma di applicazioni biomediche.

Cosa sono i Drug delivery systems?

I sistemi convenzionali di somministrazione hanno limitazioni di natura farmaco-cinetica, ovvero non vi è sincronia tra il tempo richiesto affinché la concentrazione del farmaco raggiunga il valore soglia utile ai fini terapeutici, ed il profilo di rilascio del farmaco. Inoltre, con l’assunzione convenzionale di un farmaco, è possibile che questo non raggiunga la zona bersaglio provocando effetti sistemici negativi; si è costretti quindi a somministrare un dosaggio elevato e ripetuto per garantirne l’effetto desiderato con il conseguente instaurarsi di effetti tossici secondari.

I Drug delivery systems, intesi come sistemi alternativi di veicolazione di farmaci all’interno dell’organismo, si pongono come una soluzione a questi problemi. In particolare, i moderni sistemi di rilascio si basano sul coordinamento di tre componenti essenziali: il farmaco, la molecola targeting, e i carrier; riuniti in un unico prodotto in grado di trasportare e rilasciare in modo selettivo i farmaci nel sito d’azione.

Gli obiettivi principali di questi sistemi innovativi sono quelli di migliorare l’efficacia clinica del trattamento e contemporaneamente ridurre la tossicità della terapia.

Theragrippers

I theragrippers sono sistemi di veicolazione di farmaci composti da un’alternanza di pannelli rigidi e pannelli biodegradabili; in particolare sono composti da segmenti di PPF (poli(propilene fumarato)) e cerniere stimuli-responsive e biocompatibili in pNIPAM-AAc (poli(N-isopropilacrilammide-co-acrilico)).

I theragrippers sono originariamente chiusi a 4°C, all’aumentare della temperatura si aprono ed infine si richiudono in direzione opposta ad una temperatura di 37°C in modo da migliorare l’aderenza con i tessuti circostanti.

Ciò è dovuto al fatto che al di sotto di 37°C, il PNIPAM-AAc assorbe l’acqua rigonfiandosi determinando l’apertura dei theragrippers mentre al di sopra dei 37°C lo strato di PNIPAM-AAc esclude l’acqua contraendosi, facendo in modo che le pinze, aperte, si chiudano e che i segmenti di PPF siano rivolti verso l’esterno. Combinando pNIPAM con PPF, che ha un modulo di tre ordini di grandezza superiore, è stato creato un robusto dispositivo di presa in grado di agganciare cellule e tessuti a temperatura corporea.

Grazie alla porosità delle pinze di presa le unità possono essere caricate o con mesalamina (antinfiammatorio utilizzato per infiammazioni gastrointestinali) o con doxorubicina (antitumorale). Studi in vivo hanno dimostrato che i theragrippers hanno migliorato l’erogazione di doxorubicina rispetto a un cerotto tradizionale; ciò fa pensare che il trattamento di tumori gastrointestinali trarrebbe beneficio dalla somministrazione di una bassa ma costante concentrazione di farmaci chemioterapici direttamente nei siti tumorali mirati.

Inoltre, grazie alle possibilità di un rilascio prolungato, di una settimana, l’utilizzo delle theragrippers potrebbe offrire una nuova strategia nel miglioramento significativo nel trattamento dell’IBD (malattie infiammatorie intestinali). Questo perché le attuali strategie di trattamento dell’IBD prevedono una somministrazione quotidiana di farmaci per via rettale.

Tale sistema, in conclusione, offre una nuova strategia per un’azione sostenuta di rilascio con immediata applicabilità al tratto gastrointestinale migliorando anche la qualità di vita dei pazienti.

Articolo a cura di Gianluca Ciarleglio.