Lo studio dell’elasticità dei reticoli polimerici può aiutare a comprendere come i farmaci entrano nelle cellule migliorandone quindi l’efficacia e riducendo gli effetti collaterali.

La moderna biologia sta diventando sempre più multidisciplinare per poter sviluppare sistemi di indagine diagnostica più avanzati e per comprendere i principi attraverso i quali le cellule funzionano. Ne è una ulteriore prova lo studio internazionale pubblicato recentemente sulla rivista scientifica “International Journal of Engineering Science”. Ce ne parla Mario Grassi, professore ordinario di principi di ingegneria chimica, dell’Università di Trieste.

Questo studio dal titolo: “Rubber elasticity of polymer networks in explicitly non-Gaussian states. Statistical mechanics and LF-NMR inquiry in hydrogel systems” è frutto di una collaborazione tra il Dr. Mezzasalma, fisico dell’Istituto Ruđer Bošković di Zagabria e del Lund Institute of advanced Neutron and X-ray Science, Lund University, ed il mio gruppo di lavoro di cui fa parte la dottoressa Michela Abrami e il gruppo di ricerca del professor Gabriele Grassi dell’Università di Trieste.

Dottor Grassi, come nasce questa ricerca biomedica (in prospettiva dal suddetto articolo) e quale problema risolve?

“Nasce da una collaborazione con colleghi medici con i quali abbiamo studiato la funzionalità polmonare attraverso l’analisi dell’espettorato di pazienti affetti da malattie come la fibrosi cistica e malattie croniche ostruttive dei polmoni. L’analisi si basa sull’utilizzo di uno strumento NMR (risonanza magnetica nucleare) a basso campo. Viene misurato il tempo di rilassamento, dal punto di vista elettromagnetico, della componente acquosa dell’espettorato e questo parametro è un buon indicatore della funzionalità del polmone e di conseguenza dell’efficacia della cura alla quale è sottoposto il paziente. Questo sistema di analisi ha molti vantaggi, tra cui la velocità, in un solo minuto fornisce il risultato, un costo decisamente inferiore a quello delle analisi tradizionali e una grande facilità di utilizzo.

Una volta verificato che attraverso la semplice analisi dell’espettorato con NMR a basso campo si poteva capire se il farmaco aveva funzionato, ci siamo chiesti come il farmaco interagisse con i polimeri contenuti nell’espettorato. Infatti, oltre all’acqua, lo sputum contiene molte altre molecole, tra cui polimeri che formano reticoli attraverso i quali i farmaci, soprattutto quelli somministrati per aerosol, devono passare per poi poter entrare nelle cellule polmonari.

La collaborazione teorica con il Dr. Mezzasalma è stata fondamentale per sviluppare un modello fisico statistico in grado di predire la forma dei reticoli polimerici e le dimensioni degli spazi attraverso i quali possono passare le molecole del farmaco”.

Quali applicazioni ha il modello fisico-matematico?

“Innanzi tutto, è un modello molto semplice da utilizzare, nonostante i calcoli che ci sono dietro siano molto complessi, la formula finale che si deve utilizzare è molto semplice e non richiede particolari conoscenze matematiche. Il modello va ovviamente supportato dalle misurazioni come quelle che abbiamo eseguito con l’NMR a basso campo.

Le applicazioni sono varie, ad esempio, per rimanere nel campo della fibrosi cistica e delle malattie croniche ostruttive dei polmoni, poter predire la dimensione degli spazi dei reticoli polimerici che devono essere attraversati da un farmaco, è importante per capire se il farmaco sarà in grado di attraversare questi spazi e quindi raggiungere le cellule polmonari. Il medico sarà quindi in grado di fare delle valutazioni sull’efficacia del farmaco e ridurre gli effetti collaterali. È un ulteriore passo verso la medicina di precisione e quindi verso la personalizzazione del trattamento in base alle caratteristiche del paziente.

Un’altra applicazione molto interessante riguarda la medicina rigenerativa, ovvero la capacità di far crescere cellule e parti di organo su substrati di gel. Anche le matrici a gel, in maniera simile agli elastomeri o altri reticoli polimerici, costituiscono dei reticoli, modulando la forma di questi reticoli le cellule possono crescere molto bene oppure essere inibite. Nel primo caso sarà possibile far crescere le cellule più facilmente e quindi avere un tessuto, ad esempio per un trapianto, più velocemente. È possibile però studiare in laboratorio anche la capacità di inibire la crescita delle cellule, cosa molto importante nelle situazioni in cui si vuole evitare che un tessuto proliferi troppo, ad esempio nella fibrosi epatica. Questa è una malattia del fegato caratterizzata dall’attivazione e crescita di cellule chiamate cellule stellate epatiche. In condizioni normali sono in stato quiescente di riposo ma possono venire attivate da vari fattori esterni (alcool etc) aumentando la produzione di matrice extracellulare che porta alla fibrosi con conseguente danneggiamento della funzionalità epatica. Poter studiare in laboratorio le capacità inibenti di un farmaco sulle cellule stellate, sarebbe un ottimo modo per trovare un trattamento efficace”.

Quali sono i possibili sviluppi futuri?

“Il modello fisico statistico è semplice da utilizzare da parte di tutti i ricercatori che lavorano nel campo dei gel polimerici e apre la possibilità di significativi progressi in ambito medico, farmaceutico e biotecnologico contribuendo a sviluppare terapie farmacologiche più efficaci e a realizzare tessuti e organi artificiali.

Inoltre, il nostro obiettivo è che questa tecnica possa diffondersi come una tecnica complementare a quelle attualmente in uso e possa contribuire allo sviluppo di esami diagnostici più precisi, rapidi e facili da utilizzare.

Infine, poiché l’attraversamento dei reticoli polimerici da parte di un farmaco non è solo conseguenza dello spazio disponibile e della dimensione delle molecole del farmaco ma anche conseguenza delle interazioni (ad esempio, elettrostatiche) tra le molecole, il prossimo passo sarà di studiare queste interazioni per poter predire ancora meglio l’efficacia di un farmaco e ridurre i possibili effetti collaterali per avvicinarci sempre più verso una medicina di precisione con evidenti vantaggi a favore del paziente”.

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