Un nuovo nanocarrier potrebbe trasformare la somministrazione di anticorpi terapeutici / Novel nanocarrier could transform therapeutic antibody delivery

Un nuovo nanocarrier potrebbe trasformare la somministrazione di anticorpi terapeutici / Novel nanocarrier could transform therapeutic antibody delivery

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori creano nanomacchine utilizzando metalli e polifenoli, che migliorano la somministrazione intracellulare mirata di anticorpi per la terapia del cancro.

Gli anticorpi sono proteine a forma di Y prodotte dal sistema immunitario dell'organismo per identificare e neutralizzare sostanze estranee. Gli anticorpi terapeutici sono proteine appositamente progettate, derivate da anticorpi naturali, che prendono di mira le cellule tumorali riconoscendo marcatori od antigeni specifici presenti sulla superficie tumorale. Queste proteine consentono al sistema immunitario di attaccare i tumori in modo più efficace, risparmiando i tessuti sani.

Sebbene gli anticorpi terapeutici abbiano dimostrato di essere efficaci contro il cancro prendendo di mira le superfici cellulari, questi mostrano un'efficacia limitata all'interno delle cellule a causa della loro incapacità di attraversare le membrane cellulari e sfuggire all'intrappolamento endosomiale, dove le molecole rimangono intrappolate negli endosomi (compartimenti delimitati dalla membrana) all'interno della cellula. Per superare questa barriera, i ricercatori stanno ora esplorando diverse strategie per affrontare l'intrappolamento endosomiale degli anticorpi.

Per affrontare questa sfida, un gruppo di ricerca guidato dal Professore Associato Yuto Honda e dal Professor Nobuhiro Nishiyama del Laboratorio di Chimica e Scienze della Vita dell'Institute of Science Tokyo (Science Tokyo; Giappone), ha sviluppato una nuova nanomacchina caricata con anticorpi utilizzando i polifenoli, una classe di composti presenti nel vino. La tecnologia è stata sviluppata in collaborazione con l' Innovation Center of Nano Medicine , una divisione del Kawasaki Institute of Industrial Promotion (Giappone).

Lo studio descrive la progettazione di un nanocarrier polimerico a rete metallo-fenolica (MPN), che consente il rilascio intracellulare preciso di anticorpi terapeutici nelle cellule tumorali. Utilizzando i polifenoli, l'approccio sfrutta un meccanismo unico per la fuoriuscita endosomiale ed il rilascio degli anticorpi.

"Abbiamo sviluppato una nanomacchina utilizzando polifenoli, polietilenglicole (PEG) ed ioni metallici per incapsulare gli anticorpi", ha spiegato Honda. "Una volta all'interno delle cellule, la rete di gruppi polifenolici e ioni metallici innesca un effetto tampone che provoca la rottura degli endosomi, rilasciando gli anticorpi nel sito bersaglio".

Per sviluppare il sistema di nanocarrier, i ricercatori hanno iniziato coniugando un composto polifenolico, l'acido tannico (TA), con PEG per formare PEG-TA. Il PEG è un polimero con elevata biocompatibilità e proprietà stealth, che conferisce stabilità al sistema. I composti PEG-TA sono stati poi miscelati con cloruro ferrico (ione metallico Fe3 + ) e l'anticorpo terapeutico per formare un complesso MPN caricato con l'anticorpo. Queste nanomacchine avevano un diametro di 30 nm e le loro caratteristiche sono state studiate utilizzando la spettroscopia di correlazione di fluorescenza e la microscopia elettronica a trasmissione.

L'efficacia del rilascio e dell'assorbimento cellulare è stata valutata in vitro, mentre l'attività antitumorale è stata confermata in vivo in un modello murino ortotopico di carcinoma mammario resistente al trattamento. I risultati hanno mostrato un'elevata stabilità delle nanomacchine nel flusso sanguigno con un aumento dell'assorbimento da parte delle cellule tumorali, riducendo le dimensioni del tumore al 20% rispetto al gruppo di controllo non trattato. Questo notevole effetto antitumorale è stato attribuito al meccanismo unico di rilascio degli anticorpi.

Quando le nanomacchine vengono assorbite dalle cellule tumorali, rimangono intrappolate negli endosomi. Il pH acido interno degli endosomi fa sì che le MPN si dissocino dagli anticorpi e le MPN rilasciate innescano un effetto tampone, che favorisce l'afflusso di protoni e controioni dall'esterno dell'endosoma. Questo aumenta la pressione osmotica interna e distrugge la membrana dell'endosoma. Una volta che gli endosomi si rompono, gli anticorpi dissociati vengono rilasciati, che possono ora legarsi ai bersagli antigenici all'interno della cellula.

Lo studio ha dimostrato l'efficacia della somministrazione di un anticorpo anti-S100A4, ripristinando l'attività della proteina oncosoppressore p53, responsabile della morte delle cellule tumorali. Inoltre, gli effetti sono stati osservati con una tossicità minima.

"Il nostro studio segna un passo significativo verso lo sviluppo di terapie anticorpali intracellulari di nuova generazione", ha concluso Honda. "Il progetto non cationico, biocompatibile ed iniettabile a livello sistemico del nostro sistema MPN potrebbe estenderne le applicazioni oltre il cancro, aprendo la strada al targeting farmacologico di nuova generazione".

ENGLISH

Researchers create nanomachines using metal and polyphenols, which enhance targeted intracellular delivery of antibodies for cancer therapy.

Antibodies are Y-shaped proteins produced by the body’s immune system to identify and neutralize foreign substances. Therapeutic antibodies are specially engineered proteins derived from natural antibodies that target cancer cells by recognizing unique markers or antigens on the tumor surfaces. These proteins enable the immune system to attack tumors more effectively while sparing healthy tissues.

Although therapeutic antibodies have proven to be effective against cancer by targeting cell surfaces, these show limited efficacy inside cells due to their inability to cross cell membranes and escape endosomal entrapment – where molecules become trapped inside endosomes (membrane-bound compartments) within the cell. To overcome this barrier, researchers are now exploring different strategies to address the endosomal entrapment of antibodies.

Addressing this challenge, a research team led by Assistant Professor Yuto Honda and Professor Nobuhiro Nishiyama from the Laboratory for Chemistry and Life Science, Institute of Science Tokyo (Science Tokyo; Japan), has developed a novel nanomachine loaded with antibodies by utilizing polyphenols, a class of compounds found in wine. The technology was developed in collaboration with the Innovation Center of Nano Medicine, a division of the Kawasaki Institute of Industrial Promotion (Japan).

The study describes the design of a metal–phenolic network (MPN) polymeric nanocarrier, which enables precise intracellular delivery of therapeutic antibodies into cancer cells. Using polyphenols, the approach utilizes a unique mechanism for endosomal escape and delivery of the antibodies.

“We developed a nanomachine using polyphenols, polyethylene glycol (PEG) and metal ions to encapsulate the antibodies,” explained Honda. “Once inside the cells, the metal ion-polyphenolic group network triggers a buffer effect which results in the bursting of endosomes, releasing the antibodies at the target site.”

To develop the nanocarrier system, the researchers started by conjugating a polyphenol compound, tannic acid (TA), with PEG to form PEG–TA. PEG is a polymer with high biocompatibility and stealth properties, which imparts stability to the system. The PEG–TA compounds were then mixed with ferric chloride (Fe3+ metal ions) and the therapeutic antibody to form an antibody-loaded MPN complex. These nanomachines were 30 nm in diameter, and their characteristics were studied using fluorescence correlation spectroscopy and transmission electron microscopy.

The efficacy of delivery and cellular uptake was evaluated in vitro, while the anti-tumor activity was confirmed in vivo in an orthotopic mouse model of treatment-resistant breast cancer. The results showed high stability of the nanomachines within the bloodstream with an enhanced uptake by tumor cells, reducing tumor size to 20% compared to the untreated control group. This remarkable anti-tumor effect was attributed to the unique mechanism of antibody release.

When the nanomachines are taken up by the tumor cells, they are entrapped within endosomes. The internal acidic pH of the endosomes causes the MPNs to dissociate from antibodies, and the released MPNs trigger a buffering effect, which promotes the influx of protons and counterions from outside the endosome. This increases osmotic pressure inside and destroys the endosome membrane. Once the endosomes burst, the dissociated antibodies are released, which can now attach to the antigen targets within the cell.

The study demonstrated successful delivery of an anti-S100A4 antibody, restoring the activity of tumor suppressor protein p53, which triggered tumor cell death. Moreover, the effects were observed with minimal toxicity.

“Our study marks a significant step toward developing next-generation intracellular antibody therapies,” concluded Honda. “The non-cationic, biocompatible, and systemically injectable design of our MPN system could expand its applications beyond cancer, paving the way for next-generation drug targeting.”

Da:

https://www.biotechniques.com/drug-discovery-development/novel-nanocarrier-could-transform-therapeutic-antibody-delivery/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Daily%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-861NLO4ZK81xn6WfRIRB3HOMfwyfUuYWClx_1uiTbn08gW-l96AghZG5MuOIOtPQqY7brPaOMAf4EDRGJZu5NYh997O2a4ZJLbvtrARFGvj4MBg9E&_hsmi=370746698&utm_content=370503227&utm_source=hs_email