Un impianto "farmacia vivente" tre in uno che produce molteplici farmaci all'interno del corpo. / Three-in-one ‘living pharmacy’ implant produces multiple drugs inside the body

Un impianto "farmacia vivente" tre in uno che produce molteplici farmaci all'interno del corpo. / Three-in-one ‘living pharmacy’ implant produces multiple drugs inside the body

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

Un nuovo dispositivo che utilizza cellule geneticamente modificate per produrre simultaneamente diverse terapie all'interno del corpo si è dimostrato promettente nei modelli animali.

Un gruppo di scienziati di diverse istituzioni, guidato congiuntamente dalla Northwestern University (Illinois, USA), dalla Rice University (Texas, USA) e dalla Carnegie Mellon University (Pennsylvania, USA), ha creato un dispositivo sottocutaneo completamente impiantabile che produce ossigeno localmente ed è in grado di ospitare un'alta densità di cellule produttrici di farmaci biologici, ovvero una "farmacia vivente". Il gruppo ha progettato la piattaforma per produrre tre diversi farmaci all'interno del corpo e spera che, un giorno, possa essere estesa per trattare una varietà di malattie e tipi di cellule con un'unica terapia a lunga durata.

I farmaci biologici si sono dimostrati promettenti nel trattamento di numerose malattie, tra cui il cancro, i disturbi neurologici, le sindromi autoimmuni ed il diabete. I progressi nella terapia cellulare hanno portato alla produzione di cellule biologiche in grado di essere impiantate in vivo, facilitando il passaggio della produzione biologica dalla fabbrica all'interno del paziente e garantendo un rilascio prolungato di terapie che dura per anni, eliminando la necessità di iniezioni ripetute.

Per massimizzare l'efficienza di queste minuscole fabbriche cellulari, i ricercatori stanno cercando di miniaturizzare e compattare le cellule in un unico dispositivo; tuttavia, si scontrano con un ostacolo ostinato rappresentato dalla disponibilità di ossigeno. Sebbene lo spazio sottocutaneo rappresenti una sede comoda per l'impianto, l'ossigeno è limitato, il che significa che le cellule ingegnerizzate devono competere per la scarsa quantità disponibile, e molte muoiono. Ciò limita la quantità di farmaco che il sistema può produrre e, di conseguenza, ostacola il successo delle terapie cellulari.

Con il loro nuovo dispositivo, il gruppo autore dell'ultimo studio spera di risolvere questo problema. Basandosi su uno studio precedente, in cui gli scienziati avevano progettato una tecnologia in grado di generare ossigeno scindendo le molecole d'acqua circostanti, hanno creato HOBIT, il sistema bioelettronico ibrido per l'ossigenazione destinato alla terapia impiantabile. HOBIT è una piattaforma wireless completamente impiantabile che produce ossigeno nel sito di impianto, proprio dove le cellule ne hanno bisogno, consentendo una maggiore densità cellulare nello spazio sottocutaneo.

Il sistema, all'incirca delle dimensioni di una gomma da masticare piegata, è composto da tre componenti principali: una camera per contenere le cellule geneticamente modificate, un mini generatore di ossigeno ed un'elettronica per regolare la produzione di ossigeno e comunicare con dispositivi esterni.

Il gruppo ha testato HOBIT in vivo su modelli murini, modificando geneticamente le cellule per produrre tre diversi farmaci biologici, ciascuno con un'emivita differente: un anticorpo anti-HIV, un peptide simile al GLP-1 utilizzato per il trattamento del diabete di tipo 2 e l'ormone leptina, che regola l'appetito ed il metabolismo. Successivamente, hanno impiantato i dispositivi sotto la pelle dei ratti e monitorato i livelli di ciascun farmaco nel sangue degli animali.

Negli animali con impianti ossigenati, tutti e tre i farmaci si sono dimostrati efficaci per tutta la durata dello studio di 31 giorni, un risultato che non si è riscontrato nei gruppi di controllo con impianti non ossigenati.

I risultati dimostrano come questa tecnologia abbia il potenziale per fungere da piattaforma per la terapia cellulare, consentendo la somministrazione simultanea di diversi farmaci biologici a dosi clinicamente rilevanti tramite impianti minimamente invasivi.

"Questo lavoro evidenzia l'ampio potenziale di una piattaforma bioibrida completamente integrata per il trattamento delle malattie", ha riassunto Jonathan Rivnay, uno dei principali ricercatori del progetto.

"Stiamo iniziando a capire come la bioelettronica e la terapia cellulare possano lavorare insieme in un'unica piattaforma. Con il continuo sviluppo di queste tecnologie, dispositivi come questo potrebbero in futuro fungere da vere e proprie fabbriche di farmaci programmabili all'interno del corpo, somministrando terapie complesse in modi che oggi sono semplicemente impossibili."

ENGLISH

A novel device that uses engineered cells to produce multiple therapies inside the body at once shows promise in animal models.

A multi-institutional team of scientists, co-led by Northwestern University (Il, USA), Rice University (TX, USA) and Carnegie Mellon University (PA, USA), has created a fully implantable, subcutaneous device that produces local oxygen and is capable of housing a high density of biologic-producing cells – aka a ‘living pharmacy’. The team engineered the platform to produce three different medicines inside the body and hopes that, one day, it could be expanded to target a variety of diseases and cell types with a single, long-lasting therapy.

Biologics have shown promise in the treatment of numerous diseases, including cancer, neurological disorders, autoimmune syndromes, and diabetes. Advances in cell therapy have resulted in biologic producing cells that can be implanted in vivo, facilitating a move for biologic production from the factory to inside patients, providing sustained delivery of therapeutics that lasts for years and bypasses the need for repeat injections.

To maximize the efficiency of these tiny cellular factories, researchers are looking to miniaturize and compact the cells into a single device; however, they face a stubborn barrier in the form of oxygen availability. While the subcutaneous space presents a convenient location for implantation, oxygen is limited, meaning engineered cells must compete for the meager supply, and many die. This restricts how much medicine the system can produce and, therefore, hinders the success of cell therapies.

With their new device, the team behind the latest study hopes to solve this problem. Building on a previous study, in which scientists designed technology that generated oxygen by splitting nearby water molecules, they created HOBIT – the hybrid oxygenation bioelectronics system for implanted therapy. HOBIT is a wireless, fully implantable platform that produces oxygen at the site of implantation, right where the cells need it, enabling a greater density of cells in the subcutaneous space.

Roughly the size of a folded stick of gum, the system comprises three main components: a chamber to hold genetically engineered cells, a mini oxygen generator and electronics to regulate oxygen production and communicate with external devices.

The team tested HOBIT in vivo in rodent models, engineering cells to produce three different biologics, each with different half lives: an anti-HIV antibody, a GLP-1-like peptide used to treat type 2 diabetes and the hormone leptin, which regulates appetite and metabolism. They then implanted the devices under the skin of rats and monitored the levels of each drug in the animals’ blood.

In animals with oxygenated implants, all three medicines were viable for the duration of the 31-day study period, something that was not reflected in control groups involving non-oxygenated implants.

The findings demonstrate how the technology has the potential to serve as a platform for cell therapy, simultaneously delivering multiple different biologics at clinically relevant doses with minimally invasive implants.

“This work highlights the broad potential of a fully integrated biohybrid platform for treating disease,” summarized Jonathan Rivnay, a co-principal investigator of the project.

“We’re beginning to see how bioelectronics and cell therapy can work together in a single platform. As these technologies continue to develop, devices like this could eventually act as programmable drug factories inside the body – delivering complex therapies in ways that simply aren’t possible today.”

Da:

https://www.biotechniques.com/drug-discovery-development/three-in-one-living-pharmacy-implant-produces-multiple-drugs-inside-the-body/