Il ruolo delle nanovescicole “stealth” nella lotta alle infezioni

Negli ultimi decenni, la crescente diffusione di batteri resistenti agli antibiotici sta rappresentando una delle maggiori minacce per la salute globale. Per contrastare questo fenomeno, oltre alla continua sensibilizzazione in materia, la ricerca scientifica sta sviluppando strategie innovative basate sull’ingegnerizzazione di vescicole lipidiche alla nanoscala per il trasporto e il rilascio controllato di farmaci. Tra queste, le nanovescicole “stealth” costituiscono una risorsa promettente per la lotta alle infezioni, poiché rendendosi invisibili alle cellule del sistema immunitario evitano di essere riconosciute come corpi estranei e quindi distrutte.

Le nanovescicole: efficaci sistemi per il rilascio del farmaco

Le infezioni sono processi biologici causati dall’invasione e dalla moltiplicazione di microrganismi patogeni – come batteri, virus e parassiti – all’interno del corpo umano, che possono compromettere lo stato generale di salute. Le infezioni batteriche al giorno d’oggi vengono trattate con gli antibiotici, il cui uso, spesso inappropriato, ne riduce l’efficacia essendo i batteri estremamente adattabili. Per superare queste problematiche, la ricerca scientifica sta puntando su nuove tecnologie per rendere i farmaci più potenti e più mirati. Tra queste, le nanovescicole lipidiche sono largamente impiegate come vettori alla nanoscala per la somministrazione dei farmaci direttamente in siti specifici. Queste sono generalmente caratterizzate da un nucleo acquoso completamente racchiuso da un doppio strato lipidico (Figura 1). Le nanovescicole hanno una struttura simile alle membrane cellulari e possono incapsulare sia agenti lipofili – ossia che si sciolgono in ambiente grasso e oleoso – che idrofili – in grado di solubilizzarsi in ambiente acquoso – rispettivamente nella membrana lipidica e nel nucleo acquoso. Questa struttura consente alle vescicole di veicolare il farmaco, contenuto al suo interno, verso l’esterno della cellula. Ciò avviene attraversando le membrane biologiche e allo stesso tempo proteggendo il farmaco stesso dalla degradazione, migliorando così la preservazione e l’efficacia dei principi attivi.

Tecniche di produzione

I metodi di produzione delle nanovescicole lipidiche possono influenzare le loro dimensioni e la capacità di penetrare all’interno delle cellule. Ad esempio, il metodo Bangham, sviluppato negli anni Sessanta, rappresenta la tecnica tradizionale per la produzione di questi vettori e prevede la formazione spontanea delle nanovescicole attraverso l’idratazione di un sottile strato lipidico. Tuttavia, questa tecnica mostra alcuni svantaggi, tra cui l’uso di solventi organici (e.g., etanolo, cloroformio) potenzialmente tossici e la difficoltà di scalabilità industriale. Tra i metodi innovativi per la produzione delle vescicole lipidiche, il metodo assistito da CO₂ supercritica presenta numerosi vantaggi:      

• un miglior controllo sulle dimensioni,
• l’assenza di residui tossici,
• una migliore compatibilità con l’ambiente, poiché non sono necessari ulteriori post-trattamenti.    

Anche la tecnica microfluidica è un’alternativa recente per la produzione controllata e riproducibile delle nanovescicole lipidiche, poiché consente la regolazione dei flussi su scala micrometrica.

Le nanovescicole stealth

In seguito alla somministrazione, le nanovescicole lipidiche vengono rapidamente eliminate dall’organismo poiché non riconosciute. Infatti, alcune proteine presenti nel sangue, chiamate opsonine, si legano alla superficie delle particelle rendendole visibili ai fagociti, ovvero cellule del sistema immunitario deputate all’eliminazione di tutti i componenti indesiderati nel sangue, come i macrofagi.

Un metodo ampiamente impiegato per limitare la fagocitosi e prolungare la circolazione delle nanovescicole all’interno dell’organismo consiste nell’assorbimento o nell’innesto di macromolecole sulla superficie lipidica. Quest’ultima soluzione comporta la modifica mediante macromolecole o polimeri idrofili, che “nascondono” fisicamente le particelle ai macrofagi. I nanocarrier così ottenuti sono comunemente noti come nanovescicole stealth.                   

Il polietilenglicole (PEG) è il polimero idrofilo più utilizzato per la modifica superficiale dei vettori lipidici. Il PEG è altamente solubile in mezzi acquosi, biocompatibile, chimicamente inerte e non tossico.          

Approfondimento: incorporazione del PEG

Il PEG può essere incorporato direttamente nella formulazione lipidica per ottenere le nanovescicole PEGilate, tuttavia, le catene di PEG possono distribuirsi sia sulla superficie esterna che su quella interna del doppio strato lipidico, riducendo lo spazio disponibile per l’incapsulamento del farmaco (Figura A). 

In alternativa, la PEGilazione può essere effettuata sulla sospensione di nanovescicole preformata, mediante un processo di post-processing. La PEGilazione attraverso post-modificazione della superficie delle nanovescicole può essere ottimizzata modulando: la temperatura, il tempo di incubazione e la concentrazione di PEG impiegato. Il processo di PEGilazione post-inserimento deve essere effettuato ad una temperatura tale da garantire l’inserimento del PEG-lipide nel doppio strato. La PEGilazione può portare ad un leggero incremento delle dimensioni e della stabilità delle nanoparticelle. La durata della PEGilazione deve essere tale da garantire il completo inserimento del PEG-lipide nel doppio strato; tuttavia, tempi eccessivamente prolungati potrebbero compromettere la stabilità delle vescicole favorendone la degradazione.

I carrier lipidici PEGilati uniscono biocompatibilità, flessibilità strutturale e capacità di rilascio controllato, rivelandosi veri e propri “alleati” del sistema immunitario nella lotta alle infezioni, contro la crescente minaccia dell’antibiotico-resistenza.

Nanovescicole PEGilate per il rilascio degli antibiotici in vitro

In un recente studio svolto da un gruppo di ricercatori dell’Università degli Studi di Salerno è stato valutato il profilo di rilascio di un tipo di antibiotico largamente impiegato contro i batteri Gram-positivi come la vancomicina, confrontando 1) la forma libera in polvere, 2) quella incapsulata nelle nanovescicole convenzionali e 3) quella incapsulata nelle nanovescicole PEGilate.

Il test in vitro ha mostrato che la vancomicina in polvere è stata completamente rilasciata in 80 minuti.  Il rilascio del farmaco incapsulato nelle vescicole non PEGilate è risultato significativamente più lento completandosi in circa 620 minuti (Figura 2). L’inserimento del PEG-lipide ha determinato un ulteriore prolungamento del rilascio – fino a 1350 minuti – rappresentando il tempo di rilascio più lungo osservato tra le formulazioni testate. Il prolungamento del rilascio osservato nelle vescicole PEGilate potrebbe essere dovuto all’effetto del PEG che forma uno strato superficiale in grado di rallentare il trasferimento del farmaco verso l’esterno del carrier. In un altro lavoro, un gruppo di scienziati del Regno Unito ha confrontato il profilo di rilascio dell’amoxicillina incapsulata nelle nanovescicole PEGilate e non PEGilate (Figura 3). Nuovamente le vescicole PEGilate corrispondenti alla formulazione F2 hanno mostrato un rilascio più lento e più controllato, attribuibile alla corona superficiale polimerica che ha costituito uno strato di molecole idrofile attorno alle nanoparticelle, rallentandone il rilascio.

In Figura 4 sono rappresentate le curve di riduzione della carica batterica, che riportano come varia la quantità di batteri vivi nel tempo. È stata indicata come F1 la formulazione costituita da nanovescicole, caricate con amoxicillina e non PEGilate, mentre F2 è la formulazione formata da nanovescicole caricate con amoxicillina e PEGilate. È stato possibile osservare che la formulazione F2 ha consentito la maggiore riduzione della carica batterica nel tempo, evidenziando l’efficacia dei carrier PEGilati nel rilascio controllato dei farmaci.

Conclusioni e prospettive future

Le nanovescicole lipidiche sono promettenti sistemi per il drug delivery, poiché proteggono il principio attivo dalla degradazione e ne migliorano l’assorbimento. L’aggiunta del PEG in superficie, inoltre, permette di ottenere un rilascio mirato e controllato dei principi attivi migliorandone l’efficacia. Nello specifico, l’impiego dei nanocarrier lipidici PEGilati per la somministrazione di antibiotici offre prospettive concrete nella gestione delle infezioni batteriche più resistenti. Le nanovescicole PEGilate potrebbero essere ulteriormente funzionalizzate mediante l’aggiunta di ligandi specifici, come ad esempio dei peptidi, per la consegna mirata degli antibiotici e la contemporanea riduzione degli effetti collaterali. In futuro queste nanoparticelle, nate dall’incontro tra biotecnologia e nanomedicina di precisione, potrebbero ricoprire un importante ruolo nelle terapie antimicrobiche.

Fonti e approfondimenti

• Colloids and Surfaces – Production and optimization of lipid-based “stealth nanocarriers” by supercritical technology
• IJP – Liposomal encapsulation of amoxicillin via microfluidics with subsequent investigation of the significance of PEGylated therapeutics