A supramolecular pyroptosis nanogenerator based on non- covalent interactions for cancer immunotherapy

L'immunoterapia del cancro è un campo dedicato all'insegnamento al sistema di difesa del corpo come riconoscere e distruggere le cellule maligne. Per anni, gli scienziati hanno cercato un modo per innescare un tipo specifico di morte cellulare che faccia molto di più che limitarsi a eliminare un tumore; vogliono una morte che suoni un allarme al sistema immunitario. Questo allarme è chiamato piroptosi. A differenza della morte cellulare silenziosa, che avviene senza troppi clamori, la piroptosi è un processo infiammatorio rumoroso. Quando una cellula subisce la piroptosi, esplode, rilasciando segnali chimici che reclutano soldati immunitari sul sito dell'infezione o della malattia. La sfida è stata trovare un modo affidabile per innescare questa specifica esplosione nelle cellule cancerose senza danneggiare i tessuti sani, specialmente poiché molte cellule cancerose hanno imparato a nascondere il macchinario necessario per questo processo.

Un team di ricercatori della Zhejiang University of Technology e di altre istituzioni ha sviluppato un nuovo approccio per risolvere questo problema. Hanno progettato una minuscola macchina molecolare concepita per consegnare tre componenti diversi direttamente in un tumore e costringere le cellule cancerose a esplodere in un modo che allerta il sistema immunitario. Questa macchina è costruita non incollando le parti insieme con legami chimici permanenti, ma utilizzando una serie di connessioni temporanee e non permanenti che tengono insieme i pezzi finché non raggiungono il loro bersaglio. I ricercatori chiamano questo dispositivo un nanogeneratore supramolecolare. Il suo compito è quello di trasportare un induttore di sovraccarico di calcio, un farmaco che sensibilizza le cellule allo stress, e una molecola che rimuove un "blocco" genetico che impedisce alla cellula di morire nel modo desiderato.

Il cuore di questa invenzione è un ingegnoso assemblaggio di molecole che lavorano insieme come un sistema chiave-serratura, ma senza la rigidità di una singola struttura solida. I ricercatori sono partiti da una molecola a forma di anello nota come beta-ciclodestrina, che possiede un centro cavo capace di contenere altre molecole. Hanno attaccato una speciale "colla molecolare" a questo anello. Questa colla ha due estremità distinte: un'estremità si inserisce perfettamente all'interno dell'anello, mentre l'altra è progettata per afferrare un farmaco specifico chiamato decitabina. Questo farmaco è instabile da solo e si decompone rapidamente nel corpo, ma la colla lo mantiene stabile. Allo stesso tempo, il centro cavo dell'anello è riempito con un altro farmaco, la curcumina, che normalmente è difficile da sciogliere in acqua. Intrappolando questi due farmaci all'interno dell'anello, i ricercatori hanno garantito che viaggiassero insieme e rimanessero stabili fino al raggiungimento del tumore.

Per completare la macchina, il team ha aggiunto un terzo strato che funge da guscio protettivo e da innesco. Hanno utilizzato una catena polimerica che trasporta una carica elettrica negativa per attrarre e trattenere gli ioni di calcio. Questi ioni di calcio servono quindi come fondamento per costruire un guscio di carbonato di calcio attorno all'intera struttura. Questo guscio minerale è crucialo perché è stabile nell'ambiente neutro del flusso sanguigno, ma si dissolve rapidamente quando incontra le condizioni acide presenti all'interno dei tumori e all'interno dei piccoli compartimenti cellulari chiamati lisosomi. Ciò significa che la macchina rimane intatta durante il viaggio attraverso il corpo, ma una volta ingerita da una cellula cancerosa, l'ambiente acido provoca il crollo del guscio, rilasciando tutti e tre i componenti contemporaneamente.

Quando la macchina si disassembla all'interno della cellula cancerosa, innesca una reazione a catena. Gli ioni di calcio rilasciati inondano la cellula, creando un sovraccarico che danneggia le fabbriche di energia cellulare, note come mitocondri. Questo danno provoca un aumento di specie reattive dell'ossigeno nocive, che attiva una proteina chiamata caspasi-3. Normalmente, questa proteina porterebbe a una forma silenziosa di morte cellulare chiamata apoptosi. Tuttavia, i ricercatori hanno incluso un secondo meccanismo per cambiare l'esito. La decitabina, una volta rilasciata, lavora per rimuovere i tag chimici dal DNA che stavano silenziando un gene chiamato GSDME. In molte cellule cancerose, questo gene è spento, impedendo la piroptosi. Riattivando il gene, la decitabina assicura che, quando la caspasi-3 viene attivata, tagli la proteina GSDME, causando la rottura della membrana cellulare e l'esplosione della cellula.

I risultati di questa strategia a doppia azione sono stati testati su topi con tumore al seno. I ricercatori hanno scoperto che il nanogeneratore si è accumulato con successo nei tumori e ha rilasciato il suo carico. Nei topi trattati, le cellule cancerose hanno subito la piroptosi, esplodendo e rilasciando segnali che hanno attirato le cellule immunitarie. Nello specifico, il trattamento ha aumentato il numero di cellule T citotossiche, che sono i principali killer del sistema immunitario, riducendo al contempo il numero di cellule T regolatorie che solitamente sopprimono la risposta immunitaria. I tumori nei topi trattati si sono ridotti significativamente rispetto ai gruppi di controllo. Inoltre, quando il nanogeneratore è stato combinato con una terapia standard di checkpoint immunitario, il trattamento ha quasi eliminato i tumori metastatici che si erano diffusi ai polmoni, e i topi sono sopravvissuti molto più a lungo senza mostrare segni di tossicità.

Lo studio dimostra che, utilizzando interazioni molecolari precise e non permanenti, è possibile somministrare combinazioni complesse di farmaci che sarebbero altrimenti incompatibili. Il sistema supera il problema dell'instabilità dei farmaci e garantisce che il rilascio avvenga solo dove è necessario. I ricercatori hanno confermato che la macchina funziona misurando il rilascio di specifiche proteine e osservando la risposta immunitaria, dimostrando che l'approccio riesce efficacemente a convertire un tumore "freddo", che ignora il sistema immunitario, in uno "caldo", che è sotto attacco attivo. Questo lavoro fornisce un nuovo modello per progettare trattamenti oncologici che non si limitino a uccidere le cellule tumorali, ma che addestrino anche il corpo a combattere la malattia in modo più efficace.