Sfruttare le strutture rotaxane per i sistemi di rilascio di nuova generazione in medicina e tecnologia

Consegna di Farmaci e Materiali Autoguariti con Rotaxane

Rilasciare molecole in un punto preciso è un compito molto difficile, ma è necessario affinché molti farmaci, come i trattamenti oncologici, funzionino. Finora, la maggior parte dei sistemi di somministrazione è stata limitata all’attivazione tramite interazioni chimiche o ha sofferto di scarse prestazioni. Allo stesso modo, i materiali autoguariti dovrebbero rilasciare il sistema di riparazione quando sono soggetti a stress meccanico. Grazie a una nuova struttura molecolare chiamata rotaxane, scoperta da ricercatori dell’Università di Manchester, Regno Unito, entrambe queste innovazioni potrebbero diventare possibili.

Cos’è una Rotaxane?

Le rotaxane sono molecole interbloccate, con una molecola circolare (a forma di ciambella) attraverso la quale passa un polimero più lungo.

Fonte: M stone at the English-language Wikipedia, CC BY-SA

Nel caso della scoperta dell’Università di Manchester, è stata utilizzata una molecola lunga e complessa sensibile alla forza meccanica.

Lungo la catena della molecola, hanno legato le cosiddette “molecole di carico” di interesse, evidenziate in blu in questo schema:

Fonte: Nature

Quando viene applicata una forza al materiale, la parte a forma di ciambella delle rotaxane spinge e rilascia le molecole di carico.

Ciò rende questo modello molecolare di rotaxane un rilevatore perfetto sia della forza che dei meccanismi di rilascio simultaneamente.

Fonte: Nature

Rotaxane Migliorate

Un rilascio chimico indotto dalla forza non è un concetto nuovo di per sé. Tuttavia, i sistemi precedenti erano limitati nel numero di molecole che potevano rilasciare, con una sola molecola per rilevatore di forza.

“Le forze sono onnipresenti in natura e svolgono ruoli fondamentali in vari processi. Il nostro obiettivo era sfruttare queste forze per applicazioni trasformative, in particolare nella durabilità dei materiali e nella somministrazione di farmaci.

“Sebbene questo sia solo un progetto di prova di concetto, crediamo che il nostro approccio basato su rotaxane abbia un potenziale immenso con applicazioni di vasta portata – siamo sull’orlo di progressi davvero notevoli nella sanità e nella tecnologia.” – Guillaume De Bo, Professor of Organic Chemistry at The University of Manchester

In alternativa, le strategie di incapsulamento fisico possono essere utilizzate per consegnare un carico di carico più grande, ma spesso sono soggette a rilasci indesiderati non meccanici.

Il nuovo design delle rotaxane può invece rilasciare molte molecole contemporaneamente (fino a 5) in modo controllato.

In pratica, il rilascio può essere attivato sia dallo stress meccanico (ad esempio, un urto o un graffio sullo schermo di un telefono) sia da ultrasuoni mirati, consentendo il rilascio specifico di un farmaco solo in un sito tumorale.

Un’altra limitazione del sistema precedente era la restrizione sui tipi di molecole che potevano essere rilasciate, rendendole inadatte per farmaci innovativi.

I ricercatori hanno dimostrato nella loro pubblicazione scientifica su Nature che il loro sistema potrebbe essere utilizzato per composti farmaceutici, marcatori fluorescenti, catalizzatori e monomeri, aprendo molte potenziali applicazioni.

Inoltre, tale sistema offre la possibilità di rilasciare diverse unità di carico in una sequenza definita.

Applicazioni delle Rotaxane

Biotecnologia

L’applicazione più immediata sarà nei sistemi di somministrazione di farmaci. Attualmente, questo settore è dominato dall’uso crescente di coniugati anticorpo-farmaco.

Grazie alla precisione della terapia a ultrasuoni, i sistemi di somministrazione basati su rotaxane potrebbero consentire la consegna di farmaci solo in punti specifici del corpo. Il sistema è già stato testato per la somministrazione di doxorubicina, un potente agente chemioterapico a spettro ampio.

I risultati iniziali della ricerca hanno dimostrato un’efficienza di rilascio del 71% mediante ultrasonificazione e del 65% nel test con doxorubicina.

Materiali Autoguariti

Molti materiali, dai metalli alle plastiche, trarrebbero beneficio dalla capacità di “autoguarirsi” quando subiscono stress meccanico, crepe o impatti.

Poiché le rotaxane reagiscono alla forza meccanica solo nel punto di stress, potrebbero essere utilizzate per rilasciare sistemi di riparazione proprio sul punto necessario, prima che il danno diventi più grave.

Ciò potrebbe aprire la possibilità di schermi autoguariti, parti metalliche o persino cemento.

Le proprietà autoguarenti non durerebbero indefinitamente, ma potrebbero migliorare significativamente la durabilità dei materiali. Specialmente poiché richiederebbe che i danni si verifichino nello stesso punto due volte, dove le rotaxane sono già esaurite, per far fallire le proprietà di riparazione.

Sensori e Sicurezza

Poiché questo nuovo sistema di rotaxane può anche essere utilizzato per rilasciare marcatori fluorescenti (e potenzialmente marcatori colorati), potrebbe servire come “sistema di avvertimento” per danni che altrimenti rimarrebbero invisibili. Questo potrebbe essere molto utile per rivelare stress meccanico o fatica metallica in strutture e macchine prima che si verifichi una rottura catastrofica.
Potrebbe essere utilizzato allo stesso modo per verificare l’integrità di una guarnizione o di un contenitore, ad esempio su prodotti farmaceutici o alimentari.

Aziende di Rotaxane

Le rotaxane sono, per ora, una classe di molecole sperimentali prodotte e studiate principalmente in laboratorio. Tuttavia, alcune aziende stanno sperimentando materiali autoguariti e somministrazione di farmaci basata sugli ultrasuoni.

1. EXACT Therapeutics (EXTX)

Questa startup biotecnologica sta sfruttando le sue terapie mediate acusticamente (Acoustic Cluster Therapy o ACT) per trattare il cancro aumentando l’assorbimento della chemioterapia da parte delle cellule tumorali.

Fonte: Exact Therapeutics

L’azienda è attualmente nella fase 2 di sperimentazione clinica per il cancro al pancreas e nella fase 1 per pazienti con metastasi epatiche secondarie al cancro colorettale.

Attualmente utilizza microbolle caricate negativamente e microgocce caricate positivamente, ma in futuro potrebbe anche impiegare rotaxane per una somministrazione di farmaci ancora più concentrata ed efficiente.

2. Arkema (AKE.PA)

L’azienda francese è un produttore di prodotti chimici, creata come spin-off della società petrolchimica Total, focalizzata su adesivi, rivestimenti e materiali avanzati, ciascuno circa un terzo dell’attività totale.

In particolare, lavora su elastomeri e gomme autoguarenti dal 2009.

L’azienda è attiva in molte classi chimiche ed è utilizzata praticamente in tutti i settori.

Fonte: Arkema

La strategia di Arkema è essere il fornitore leader in ogni nicchia in cui opera, occupando le posizioni da #1 a #3 a livello mondiale nel 90% del portafoglio.

Considerando la presenza consolidata nei materiali autoguariti e il prezioso IP dell’azienda, potrebbe renderla un candidato ideale per implementare in futuro la tecnologia rotaxane commerciale.

3. Autonomic Materials

Fonte: Autonomic Materials

L’azienda privata si specializza in materiali auto-riparanti, in particolare rivestimenti anti-corrosione, con un’ampia gamma di applicazioni e settori.

I prodotti chimici di rivestimento dell’azienda reagiscono non appena appare una microcrepa, impedendo la diffusione di ulteriori danni. Se il danno è troppo grande, sigilla anche i bordi della zona danneggiata, prevenendo la perdita di adesione e la successiva delaminazione del rivestimento.

L’azienda afferma di avere prestazioni molto elevate mantenendo al contempo un livello molto basso di emissioni di VOC (Composti Organici Volatili), sostanze che possono essere tossiche e causare problemi di sicurezza negli ambienti industriali.

Fonte: Autonomic Materials