Un antibiotico che si inala può rilasciare farmaci in profondità nei polmoni

Siamo tutti più consapevoli della salute dei polmoni a partire dal Covid-19.

Tuttavia, per le persone affette da asma e broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), affrontare i problemi polmonari è una lotta che dura tutta la vita. Quelli con BPCO soffrono di tessuto polmonare altamente infiammato che si gonfia e ostruisce le vie aeree, rendendo difficile la respirazione. La malattia è comune, con oltre tre milioni di casi annuali solo negli Stati Uniti.

Sebbene gestibile, non esiste una cura. Uno dei problemi è che i polmoni affetti da BPCO pompano tonnellate di muco viscoso, che forma una barriera che impedisce ai trattamenti di raggiungere le cellule polmonari. La sostanza viscida, quando non viene espulsa con la tosse, attira anche i batteri, aggravando ulteriormente la condizione.

Un nuovo studio in Anticipi Scienza descrive una potenziale soluzione. Gli scienziati hanno sviluppato un nanocarrier per trasportare gli antibiotici nei polmoni. Come un’astronave biologica, il trasportino è dotato di “porte” che si aprono e rilasciano antibiotici all’interno dello strato di muco per combattere le infezioni.

Anche le “porte” stesse sono mortali. Costituiti da una piccola proteina, lacerano le membrane batteriche e ripuliscono il loro DNA per liberare le cellule polmonari dalle infezioni croniche.

Il team ha progettato una versione inalabile di un antibiotico utilizzando il nanocarrier. In un modello murino di BPCO, il trattamento ha rianimato le cellule polmonari in soli tre giorni. I livelli di ossigeno nel sangue sono tornati alla normalità e i precedenti segni di danno polmonare sono lentamente guariti.

“Questa strategia immunoantibatterica potrebbe cambiare l’attuale paradigma della gestione della BPCO”, afferma il team ha scritto nell'articolo.

Respirami

I polmoni sono estremamente delicati. Immagina strati sottili ma flessibili di cellule separate in lobi per aiutare a coordinare il flusso di ossigeno nel corpo. Una volta che l’aria fluisce attraverso la trachea, si disperde rapidamente attraverso una complessa rete di rami, riempiendo migliaia di sacche d’aria che forniscono ossigeno al corpo liberandolo dall’anidride carbonica.

Queste strutture si danneggiano facilmente e il fumo è un fattore scatenante comune. Il fumo di sigaretta fa sì che le cellule circostanti espellono una sostanza viscida che ostruisce le vie aeree e ricopre le sacche d'aria, rendendo difficile il loro normale funzionamento.

Col tempo, il muco forma una sorta di “colla” che attira i batteri e si condensa in un biofilm. La barriera blocca ulteriormente lo scambio di ossigeno e trasforma l'ambiente polmonare in un ambiente favorevole alla crescita dei batteri.

Un modo per fermare la spirale discendente è annientare i batteri. Gli antibiotici ad ampio spettro sono il trattamento più utilizzato. Ma a causa dello strato protettivo viscido, non riescono a raggiungere facilmente i batteri in profondità nei tessuti polmonari. Ancora peggio, il trattamento a lungo termine aumenta la possibilità di resistenza agli antibiotici, rendendo ancora più difficile eliminare i batteri ostinati.

Ma lo strato protettivo ha un punto debole: è semplicemente un po' troppo acido. Letteralmente.

Politica della porta aperta

Come un limone, lo strato viscoso è leggermente più acido rispetto al tessuto polmonare sano. Questa stranezza ha dato al team l’idea di un vettore antibiotico ideale in grado di rilasciare il suo carico utile solo in un ambiente acido.

Il team ha creato nanoparticelle cave di silice, un biomateriale flessibile, le ha riempite con un comune antibiotico e ha aggiunto “porte” per rilasciare i farmaci.

Queste aperture sono controllate da brevi sequenze proteiche aggiuntive che funzionano come “serrature”. Negli ambienti normali delle vie aeree e dei polmoni, si ripiegano sulla porta, sequestrando essenzialmente gli antibiotici all’interno della bolla.

Rilasciata nei polmoni affetti da BPCO, l'acidità locale modifica la struttura della proteina di blocco, quindi le porte si aprono e rilasciano gli antibiotici direttamente nel muco e nel biofilm, praticamente sfondando le difese batteriche e indirizzandoli nel loro territorio.

Un test con la miscela è penetrato in un biofilm coltivato in laboratorio in una capsula di Petri. Si è rivelato molto più efficace rispetto a un tipo precedente di nanoparticelle, in gran parte perché le porte del trasportatore si aprivano una volta all'interno del biofilm; in altre nanoparticelle, gli antibiotici rimanevano intrappolati.

I portatori potrebbero anche scavare più a fondo nelle aree infette. Le cellule hanno cariche elettriche. Sia il trasportatore che il muco hanno cariche negative che, come le estremità caricate in modo simile di due magneti, spingono i trasportatori più in profondità e attraverso gli strati di muco e biofilm.

Lungo il percorso, l'acidità del muco trasforma lentamente la carica del trasportatore in positiva, così che una volta superato il biofilm, il meccanismo di “blocco” si apre e rilascia il farmaco.

Il team ha inoltre testato la capacità delle nanoparticelle di annientare i batteri. In un piatto, hanno eliminato diversi tipi comuni di batteri infettivi e distrutto i loro biofilm. Il trattamento è apparso relativamente sicuro. Test su cellule polmonari fetali umane in una capsula hanno rilevato segni minimi di tossicità.

Sorprendentemente, il trasportatore stesso potrebbe anche distruggere i batteri. All'interno di un ambiente acido, la sua carica positiva distrugge le membrane batteriche. Come palloncini scoppiati, gli insetti rilasciavano materiale genetico nell'ambiente circostante, che il trasportatore raccoglieva.

Smorzare il fuoco

Le infezioni batteriche nei polmoni attirano le cellule immunitarie iperattive, che portano al gonfiore. Anche i vasi sanguigni che circondano le sacche d’aria diventano permeabili, rendendo più facile il passaggio delle molecole pericolose. Questi cambiamenti causano infiammazione, rendendo difficile la respirazione.

In un modello murino di BPCO, il trattamento con nanoparticelle inalabili ha calmato il sistema immunitario iperattivo. Diversi tipi di cellule immunitarie sono tornate a un livello sano di attivazione, consentendo ai topi di passare da un profilo altamente infiammatorio a uno che combatte infezioni e infiammazioni.

I topi trattati con la nanoparticella inalabile avevano circa il 98% in meno di batteri nei polmoni, rispetto a quelli a cui era stato somministrato lo stesso antibiotico senza trasportatore.

Eliminare i batteri ha dato ai topi un sospiro di sollievo. Respiravano più facilmente. I livelli di ossigeno nel sangue sono aumentati e l’acidità del sangue, segno di un livello di ossigeno pericolosamente basso, è tornata alla normalità.

Al microscopio, i polmoni trattati hanno ripristinato le normali strutture, con sacche d’aria più robuste che si sono lentamente riprese dai danni della BPCO. I topi trattati presentavano anche un minor gonfiore ai polmoni dovuto all’accumulo di liquidi, fenomeno comunemente riscontrato nelle lesioni polmonari.

I risultati, sebbene promettenti, riguardano solo un modello di BPCO correlata al fumo nei topi. C'è ancora molto che non sappiamo sulle conseguenze a lungo termine del trattamento.

Anche se per ora non ci sono segni di effetti collaterali, è possibile che le nanoparticelle possano accumularsi all'interno dei polmoni nel tempo causando eventualmente danni. E sebbene il trasportatore stesso danneggi le membrane batteriche, la terapia si basa principalmente sull’antibiotico incapsulato. Con resistenza agli antibiotici in aumento, alcuni farmaci stanno già perdendo efficacia contro la BPCO.

Poi c'è la possibilità di danni meccanici nel tempo. L’inalazione ripetuta di nanoparticelle a base di silicio potrebbe causare cicatrici polmonari a lungo termine. Quindi, anche se le nanoparticelle potrebbero cambiare le strategie per la gestione della BPCO, è chiaro che abbiamo bisogno di studi di follow-up, ha scritto il team.

Immagine di credito: luce di cristallo / Shutterstock.com

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• Fonte: https://singularityhub.com/2024/02/12/an-antibiotic-you-inhale-can-deliver-medication-deep-into-the-lungs/