Inginerii dezvoltă o modalitate de a produce în masă nanoparticule care livrează medicamente pentru cancer direct în tumori

Cercetătorii Institutului de Tehnologie din Massachusetts își propun să rezolve una dintre marile provocări din domeniul administrării țintite a medicamentelor, și anume scalabilitatea și eficiența asamblării nanoparticulelor cu straturi polimerice succesive. Metoda clasică strat cu strat, deși foarte versatilă pentru obținerea de sisteme de eliberare controlată, rămâne dificil de transpus la scară mai mare din cauza numeroaselor cicluri de adsorbție și spălare a polimerilor. Studiul de față demonstrează că utilizarea unui sistem de amestecare microfluidică poate simplifica și accelera radical procesul de asamblare strat cu strat, fără a fi necesare etape de purificare suplimentare și fără a compromite proprietățile finale ale nanoparticulelor.
Administrarea spațio-temporală a medicamentelor reprezintă un obiectiv de maxim interes în cercetarea biomedicală. Nanoparticulele, datorită dimensiunilor și suprafețelor adaptabile, pot modula farmocinetica și farmacodinamica substanțelor active. În plus, funcționalizarea suprafeței acestor particule permite orientarea preferențială spre țesuturile sau celulele-țintă, reducând totodată efectele secundare nedorite.  

Metoda strat cu strat se bazează pe depunerea alternativă de polianioni și policationen, generând straturi nanometrice stabile care pot fi adaptate pentru:  

• Stabilitate crescută în sânge  
• Controlul eliberării substanței active  
• Interacțiuni bine definite cu suprafețele biologice  

Cu toate acestea, tehnicile consacrate strat cu strat necesită exces de polimeri, spălări și centrifugări multiple, ceea ce înseamnă costuri ridicate, timp îndelungat și o scalare dificilă.

Soluția propusă: asamblarea microfluidică

Pentru a depăși aceste limitări, cercetătorii au recurs la un modul microfluidic de amestec continuu, care oferă mai multe avantaje:  

• Scalabilitate: Sistemele microfluidice pot fi extinse la producție de loturi mari, inclusiv în condiții de good manufacturing practice (cGMP).  
• Precizie în controlul parametrilor: Flow-rate-ul și raportul masic polimer/nanoparticule pot fi reglate fin, prevenind aglomerarea particulelor.  
• Eliminarea etapelor de purificare: După optimizarea cantității de polimer (raportul la punctul de platou), particulele nu mai necesită filtre, centrifugări sau spălări suplimentare.  

Exemplul de test: nanoparticule cu încărcătură de IL-12

Pentru a proba eficiența metodei, autorii au folosit liposomi anionici care conțin interleukina-12 (IL-12), un factor cu rol cheie în imunoterapie. Pe suprafața acestor liposomi au fost depuse, prin alternare, straturi de poli-L-arginină și poli-L-glutamat. Acest tip de strat cu strat-nanoparticule fusese deja testat în modele preclinice de cancer ovarian metastatic, arătând beneficii în stabilitatea și distribuția în organism.

Etapele clasice (batch) vs. microfluidic

• Metoda clasică: Se adaugă exces de polimer (de regulă, peste point of plateau), se folosește sonicație sau vortex pentru omogenizare, apoi se elimină polimerul în surplus prin filtrare tangențială. Aceasta prelungește mult procesul și poate afecta randamentul.  
• Metoda microfluidică: Polimerul este introdus continuu, în raport exact cu nanoparticulele (concentrația la point of plateau), prin două canale care se unesc într-o cameră de amestec microfluidică. Amestecarea rapidă și controlată împiedică agregarea și elimină nevoia de purificări ulterioare.

Principalele rezultate experimentale

Controlul sarcinii și mărimii nanoparticulelor:  

Prin titrarea raportului masic polimer:nanoparticule, s-a observat că particulele devin electroneutre la un moment dat (isoelectric point), unde tind să formeze agregate. Continuând creșterea raportului până la punctul de platou, sarcina globală se inversează și particulele redevin stabile. Metoda microfluidică permite ajustarea acestui raport astfel încât polielectroliții să se absoarbă complet, fără excedent în soluție.

Reducerea timpului și costurilor:  

După asamblare, deoarece polimerul și nanoparticulele sunt deja în echilibru la punctul de platou, nu mai este necesar niciun pas de spălare/ultrafiltrare. Comparativ cu metoda prin filtrare tangențială (cu multiple cicluri de spălare și sonicare), metoda microfluidică reduce semnificativ numărul de etape, consumul de reactivi și pierderile de produs.

Caracterizarea strat cu strat-nanoparticule rezultate:  

Mărimea particulelor (Z-avg) și indicele de polidispersitate au rămas la valorile dorite (<150 nm și <0.2) în mod constant, indicând omogenitate superioară față de tehnicile clasice. Proprietățile biologice in vitro (ex. asocierea cu celule tumorale HM-1 și retenția pe membrana celulară) au fost menținute sau chiar îmbunătățite. Activitatea IL-12 integrată în nanoparticule a fost confirmată prin teste pe linii celulare reporter și apoi în modelul murin de cancer ovarian, rezultând eficiență terapeutică similară sau mai bună comparativ cu particulele obținute prin metoda clasică.

Versatilitatea microfluidicii:  

Studiile au fost extinse și la alte polielectroliți (de ex. acid hialuronic, poli-L-aspartic, acid poliacrilic), demonstrând că principiul funcționează pentru o gamă largă de polimeri. S-a constatat că nanoparticulele cu miez de dimensiuni diferite (ex. latex carboxilat de 50 nm – 200 nm) pot fi ușor învelite prin microfluide, fără pierderea stabilității.

Implicații și concluzii

Prin utilizarea microfluidicii la asamblarea nanoparticulelor cu straturi polimerice succesive, autorii au reușit:  

• Scăderea semnificativă a timpului de producție și reducerea etichetelor de purificare, ceea ce facilitează trecerea la producția pe scară largă și posibil la nivel clinic.  
• Menținerea (și uneori îmbunătățirea) proprietăților-cheie: stabilitate coloidală, omogenitate, distribuție uniformă a sarcinii și eficiență terapeutică.  
• Extinderea la diverse combinații de polimeri și dimensiuni de nanoparticule, sporind gradul de personalizare pentru aplicații terapeutice variate.  

Această abordare sugerează că, în viitor, platforma strat cu strat microfluidică va putea fi utilizată cu ușurință pentru a fabrica serii de nanoparticule funcționalizate, inclusiv combinații complexe de medicamente sau terapii genetice. Prin urmare, metoda descrisă deschide perspectiva unei integrări facile în fluxul industrial, contribuind la dezvoltarea rapidă a unor sisteme de eliberare medicamentoasă mai eficiente și mai sigure pentru pacient.