Vaccini in 3D: secondo la ricerca saranno l’arma del futuro contro cancro e malattie infettive

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Un gruppo di ricercatori finanziati dalla NIBIB hanno messo a punto un vaccino in 3D che potrebbe fornire un modo più efficace per potenziare il sistema immunitario per combattere il cancro e le malattie infettive. Il vaccino si assembla spontaneamente in una impalcatura, e una volta iniettato sotto la pelle ed è in grado di reclutare, impacchettare e manipolare le cellule immunitarie per generare una risposta immunitaria più potente. Il vaccino è stato recentemente testato ed è risultato efficace nel ritardare la crescita tumorale nei topi.

“Questo vaccino è un meraviglioso esempio di applicazione di biomateriali alle nuove necessità e problemi in medicina”

Dice David Mooney, professore di bioingegneria presso la Harvard University e la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, e sviluppatore del vaccino. Il progetto è stato co-condotto da Jaeyun Kim Aileen Li, uno studente di dottorato del laboratorio di Mooney. I loro risultati sono stati pubblicati in 8 Dicembre 2014 nel numero di Nature Biotechnology.

Vaccini contro il cancro

Le cellule tumorali sono generalmente ignorate dal sistema immunitario. Questo perché, per la maggior parte, hanno una struttura che assomigliano molto alle cellule del corpo. L’obiettivo di vaccini contro il cancro è quello di portare il sistema immunitario a riconoscere le cellule tumorali come sostanza esogene, e spingerle ad attaccarle per distruggerle.

Un modo per farlo è attraverso la manipolazione delle cellule dendritiche, i coordinatori dell’azione del sistema immunitario. Le cellule dendritiche pattugliano costantemente il corpo, si occupano di rilasciare le proteine presenti sulla superficie delle cellule o dei virus chiamate antigeni. Quando una cellula dendritica entra in contatto con un antigene che ritiene estera, porta ai linfonodi, dove istruisce il resto del sistema immunitario ad attaccare tutto ciò che nel corpo presenta l’antigene.

Sebbene simile alle cellule sane, le cellule tumorali spesso mostrano antigeni particolari sulla loro superficie, che può essere sfruttata per sviluppare immunoterapie contro il cancro. Ad esempio, nella terapia delle cellule dendritiche, le cellule bianche del sangue vengono rimosse dal sangue di un paziente, stimolate in laboratorio per trasformarsi in cellule dendritiche, e poi incubate con un antigene specifico per tumore di un paziente, insieme ad altri composti per attivare e maturare le cellule dendritiche. Queste cellule dette “programmate” vengono poi iniettate di nuovo nel sangue del paziente con la speranza che presenteranno ai linfonodi  l’antigene tumorale cosi da attivare il resto delle cellule del sistema immunitario.

Biomateriali aumentare l’immunità

Mentre questo approccio ha avuto un certo successo clinico, in molti casi, la risposta immunitaria risultante dai vaccini di cellule dendritiche è di breve durata e non abbastanza robusto per tenere a bada tumori nel lungo periodo. Inoltre, terapie cellulari come questa, che richiedono la rimozione di cellule da pazienti e loro manipolazione in laboratorio, sono costosi e non facilmente regolabili. Per superare queste limitazioni, il laboratorio di Mooney ha sperimentato un nuovo approccio che coinvolge le cellule immunitarie in un processo di riprogrammazione all’interno del corpo del paziente, utilizzando biomateriali impiantabili.

L’idea è di introdurre un’impalcatura biodegradabile sotto la pelle che crea temporaneamente un “microambiente che mima l’ambiente di infezione” capace di attrarre, impalcare, e riprogrammare milioni di cellule dendritiche per un periodo di tempo di diverse settimane. In un articolo pubblicato nel 2009 nel Nature Materials, Mooney dimostrato che questo potrebbe essere realizzato creando un’impalcatura porosa, delle dimensioni di una monetina,  con l’antigene tumorale, così attraverso la combinazione di componenti biologici e chimici si potrebbe arrivare ad ottenere cellule dendritiche attive. Una volta impiantato, il contenuto dell’impalcatura viene lentamente rilasciato verso l’esterno, cosi da creare un flusso costante di cellule dendritiche, che si moltiplicano nel paziente e attivano antigeni tumorali per le cellule del sistema immunitario.

Quando questo sistema è stato impiantato nei topi, ha realizzato un tasso di sopravvivenza del 90% negli animali che altrimenti morivano di cancro entro 25 giorni.

Un’impalcatura iniettabile

Partendo da questo approccio Mooney ha creato un’impalcatura iniettabile in grado di assemblarsi spontaneamente, una volta all’interno del corpo. Questa seconda generazione di vaccini dovrebbe impedire ai pazienti di dover subire un intervento chirurgico per impiantare l’impalcatura e sarebbe anche più facile per i medici somministrarlo.

Il nuovo vaccino 3D è costituito da molte microscopiche barre di silice porose disperse in un liquido. Quando iniettato sotto la pelle, il liquido si diffonde rapidamente, lasciando dietro le basi per formare una struttura tridimensionale simile ad una struttura assemblata casualmente. Gli spazi tra le basi sono grandi abbastanza per ospitare le cellule dendritiche e altre cellule immunitarie, inoltre hanno pori di dimensioni nanometriche che possono essere caricati con una combinazione di antigeni e farmaci.

Quando è stato iniettato nei topi, il vaccino 3D ha generato una risposta immunitaria potente e ha ritardato la crescita tumorale. Rispetto ad un bolo contenente gli stessi farmaci e antigeni (ma senza impalcatura), il vaccino 3D è stato più efficace nel prevenire la crescita del tumore, con il 90% dei topi trattati con il vaccino 3D ancora in vita dopo 30 giorni, rispetto a solo il 60% dei topi trattati con l’iniezione in bolo.

“La capacità di sfruttare così elegantemente il comportamento naturale delle cellule dendritiche a suscitare una forte risposta immunitaria è impressionante. La possibilità di sviluppare questo approccio come un vaccino contro il cancro, che non richiede una chirurgia invasiva e costosa per manipolare cellule immunitarie di fuori del corpo, è molto eccitante.”

Mooney dice che oltre a continuare a sviluppare il vaccino contro il cancro, ha in programma anche di esplorare come l’impalcatura iniettabile può essere utilizzata per trattare e prevenire le malattie infettive. Più in generale, Mooney prevede che le particelle attraverso il spontanea assemblaggio saranno adottati in molti campi in futuro.

“Penso che questo sarà il primo di una serie di esempi dove si utilizzano le idee di auto-organizzazione nel corpo, invece di dover creare strutture al di fuori del corpo e metterli in pratica. Credo che sarà ampiamente applicabile, non solo in casi come questo, ma anche, ad esempio, in ingegneria dei tessuti e medicina rigenerativa dove sono utilizzati sistemi per facilitare la ricrescita dei tessuti del corpo. La possibilità di montare un ponteggio in un corpo invece di dover impiantare chirurgicamente sarebbe un avanzamento significativo.”

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