Microcapsule che si attivano con luce per il controllo di pathways molecolari

Ricercatori Cnr dimostrano la possibilità di attivare funzioni cellulari mediante rilascio di farmaci controllato dalla luce.
La possibilità di manipolare in remoto pathways intracellulari in singole cellule è tra gli obiettivi di frontiera della biomedicina, che richiede nuove strategie di controllo della funzione cellulare o di riprogrammazione del destino cellulare in seguito a stimolazione esterna. In questa direzione l’optogenetica studia nuove metodologie per stimolare in modo specifico la funzione cellulare mediante illuminazione esterna, ma richiede complesse manipolazioni geniche per conferire alle cellule la sensibilità alla luce, ha tempi lunghi e costi elevati.
Una ricerca condotta da un gruppo di giovani ricercatori guidati dalla dr.ssa Claudia Tortiglione, presso l’Istituto di scienze spplicate e sistemi intelligenti di Pozzuoli (Isasi-Cnr), diretto dal dr. Pietro Ferraro, ha sviluppato in collaborazione con il prof. W.J.Parak (dip. di fisica, università di Marburg) una metodologia per controllare con la luce una importante via di segnalazione cellulare, coinvolta in molteplici funzioni cellulari sia durante lo sviluppo embrionale di tutti gli organismi animali, sia nelle cellule staminali degli individui adulti, il pathway di Wnt. La metodologia si basa su sistemi polimerici di rilascio farmaci ed è stata validata in un organismo modello alla base della scala evolutiva, il polipo di acqua dolce Hydra vulgaris.
Tra i numerosi sistemi di rilascio farmaci sono state da tempo sviluppate le capsule polimeriche, ovvero strutture polimeriche formate per autoassemblaggio di polielettroliti (alternati di carica opposta a formare multistrati) intorno ad una microparticella, la cui degradazione finale determina la formazione di una cavità, che può essere caricata con molecole di interesse. Tali capsule polimeriche presentano numerosi vantaggi per essere utilizzate come veicoli di farmaci, in quanto proteggono il farmaco dalla degradazione a cui potrebbe andare incontro nei fluidi biologici, ne consentono la veicolazione in alte dosi e soprattutto, ne possono determinare il rilascio in modo controllato mediante stimolazione esterna (luce, campo magnetico, onde acustiche..) previa ingegnerizzazione con nanoparticelle e nanostrutture. Il gruppo di ricerca diretto da W.J.Parak ha di recente sviluppato capsule polimeriche che rilasciano il loro contenuto in seguito a illuminazione con luce near-infrared (NIR). La presenza nella parete delle capsule di aggregati di oro aventi proprietà plasmoniche, capaci di convertire energia NIR assorbita in calore, media il rilascio del contenuto della capsula, permettendo così un controllo spazio-temporale. Al fine di utilizzare questo sistema di drug delivery controllato in un organismo vivente, il gruppo di ricerca di Claudia Tortiglione, leader del Nanobiomolecular group presso Isasi-Cnr (http://www.isasi.cnr.it/?staff=tortiglione-claudia) ha utilizzato un organismo modello animale invertebrato e validato la possibilità di poter attivare con la luce il pathway Wnt/b catenin.
Il polipo di acqua dolce Hydra vulgaris è un animale molto semplice, facilissimo da allevare in laboratorio, ed utilizzato come modello per studi di rigenerazione tissutale e biologia dello sviluppo. Grazie al lavoro del Nanobiomolecular group è da anni utilizzato anche nelle Nanobiotecnologie, per testare biocompatibilità, funzionalità e tossicità di micro e nanostrutture funzionalizzate. Il pathway di Wnt in Hydra controlla la formazione ed il mantenimento di strutture apicali (testa e tentacoli) e una sua espressione aberrante determina la formazione di tentacoli e strutture simili a testa lungo tutto il corpo, generando una sorta di mostro della mitologia greca da cui, del resto, l’animale ha preso il nome.
Trattando polipi di Hydra con microcapsule polimeriche light responsive, caricate con un attivatore intracellulare del pathway di Wnt, è stato possibile attivare tale via dopo illuminazione NIR, dimostrando quindi la possibilità di manipolare importanti vie di segnalazione cellulare in modo altamente specifico. Considerato il ruolo fondamentale svolto dal pathway di Wnt nel mantenimento dell’omeostasi cellulare e nelle cellule staminali, la possibilità di utilizzare tali microcapsule in modelli animali vertebrati apre nuovi orizzonti in campi medici e farmacologici, per il trattamento degli stati patologici che vedono alterato il pathway di Wnt, da terapie anticancro (mirate a ‘spegnere’ il pathway di Wnt) a quelle di rigenerazione tissutale (mirate ad ‘accenderlo’).

Didascalia immagine
Le microcapsule sintetizzate in questo lavoro sono capaci di attivare in Hydra il pathway Wnt/β-cat (normalmente in stato OFF). A sinistra un polipo di Hydra trattato con microcapsule fluorescenti (sfere rosse) è illuminato con luce NIR, e questo determina il rilascio di un agonista di tale via di segnalazione (Alsterpaullone, ALP, ovale giallo). A destra, il farmaco rilasciato agisce sulla proteina target (kinasi GSK3) ed innesca una serie di processi a cascata che culminano con l’attivazione trascrizionale dei gene target del pathway di Wnt. A livello morfologico l’attivazione forzata di tale pathway in Hydra provoca la formazione di tentacoli lungo tutto l’asse corporeo, dimostrando in modo inequivocabile il rilascio del farmaco, e quindi la funzionalità delle microcapsule attivabili con la luce.

Attivazione di pathway molecolari mediante micropapsule fotoattivabili: Control of Wnt/β-Catenin Signaling Pathway in Vivo via Light Responsive Capsules. A. Ambrosone, V. Marchesano, S. Carregal-Romero, D. Intartaglia, W. J. Parak and C. Tortiglione ACS Nano. Epub  22 gen 2016

 

Per informazioni:
Claudia Tortiglione
via campi flegrei 34, 80078, Pozzuoli (Na)
c.tortiglione@isasi.cnr.it
081.8675306