In vitro hydrogel-cell model for pharmacokinetic analysis

All'interno dell'occhio umano, una sostanza trasparente e gelatinosa riempie lo spazio tra la lente e la retina, agendo come un cuscinetto protettivo e una finestra trasparente per la luce. Questa sostanza, nota come umore vitreo, non è solo acqua; è una complessa rete simile a un gel che può intrappolare o rallentare qualsiasi cosa cerchi di muoversi attraverso di essa. Quando i medici devono trattare malattie della retina, come la retinopatia diabetica o la degenerazione maculare senile, iniettano spesso farmaci direttamente in questo spazio. Tuttavia, affinché il trattamento funzioni, il farmaco deve attraversare questo gel denso e raggiungere le delicate cellule della retina senza incastrarsi o frammentarsi. Gli scienziati lottano da tempo per testare quanto bene questi medicinali si muovano in un ambiente di laboratorio, perché l'ambiente all'interno dell'occhio è troppo complesso per essere copiato con semplici strati piatti di cellule, e l'uso di veri occhi animali è difficile e incoerente.

Per risolvere questo problema, i ricercatori dell'Università di Liverpool hanno costruito un nuovo tipo di modello di test che imita l'interno dell'occhio con molta più precisione. Invece di limitarsi a far crescere cellule in una capsula di Petri, hanno creato un sistema a tre strati: uno strato di cellule retiniche viventi, un gel sintetico che si comporta come l'umore vitreo e un metodo per osservare minuscole particelle che si muovono attraverso di tutto ciò senza disturbarle. Il loro obiettivo era capire come la chimica del fluido e la presenza di cellule viventi cambino il modo in cui i vettori di farmaci, specificamente minuscole particelle d'oro, viaggiano verso il loro bersaglio. Osservando queste particelle in tempo reale, il team ha scoperto che il viaggio è molto più dinamico di quanto precedentemente pensato, con la composizione del fluido e le cellule stesse che creano zone distinte che aiutano o ostacolano il movimento.

I ricercatori hanno iniziato affrontando un problema fondamentale: come le proteine nel fluido influenzano il movimento di minuscole particelle. Nel corpo, le particelle sono costantemente circondate da proteine che aderiscono alle loro superfici, formando un rivestimento temporaneo. Il team ha testato questo aspetto inserendo particelle d'oro, alcune cariche positivamente e altre negativamente, in due liquidi diversi. Un liquido era una soluzione nutritiva di base, mentre l'altro era arricchito con proteine del siero sanguigno per simulare l'ambiente biologico. Hanno scoperto che nel liquido privo di proteine, le particelle tendevano ad agglomerarsi nel tempo, rallentando significativamente il loro movimento. Tuttavia, nel liquido ricco di proteine, le proteine agivano come uno scudo, impedendo alle particelle di attaccarsi tra loro e permettendo loro di muoversi liberamente. Ciò ha confermato che la presenza di proteine è essenziale per mantenere questi vettori di farmaci stabili e mobili, una scoperta che rimane valida indipendentemente dal fatto che le particelle siano cariche positivamente o negativamente.

Successivamente, il team ha introdotto uno strato vivente di cellule retiniche umane nella miscela per vedere come una barriera biologica avrebbe cambiato la storia. Hanno fatto crescere un foglio compatto di queste cellule su un vetrino da laboratorio e hanno posizionato il gel e le particelle sopra di esse. Quando hanno tracciato le particelle vicino alle cellule, hanno notato che l'ambiente diventava molto più caotico. Le cellule stesse secernono varie molecole che interagiscono con le particelle, creando un rivestimento unico e mutevole, diverso da quello formato dalle sole proteine. Questa interazione ha aumentato la varietà del modo in cui le particelle si muovevano, suggerendo che le cellule modificano attivamente il percorso dei vettori di farmaci. Interessante notare che la distanza dallo strato cellulare contava meno della presenza stessa delle cellule; sia che le partiche fossero vicine alle cellule o leggermente più lontane, la complessità dell'ambiente rimaneva elevata, guidata dall'attività biologica delle cellule.

La scoperta più significativa è avvenuta quando i ricercatori hanno combinato le cellule viventi con il loro gel sintetico, progettato per mimare l'umore vitreo. Hanno creato un gel utilizzando agar e acido ialuronico, mescolati con una piccola quantità di fluido ricco di proteine per garantire la salute delle cellule. Quando hanno osservato il movimento delle particelle attraverso questo sistema completo, hanno osservato qualcosa di straordinario: le particelle non si muovevano tutte alla stessa velocità. Invece, si dividevano in due gruppi distinti. Alcune particelle si muovevano velocemente, come se nuotassero in acque aperte, mentre altre si muovevano molto lentamente, come se fossero intrappolate in una maglia fitta. Ciò ha rivelato che il gel non è un blocco uniforme ma contiene due micro-ambienti differenti: una fase acquosa, simile all'acqua, e una fase più densa, simile a un gel. Le particelle erano in grado di navigare in entrambe, ma la loro velocità dipendeva interamente dalla fase in cui si trovavano in quel momento.

Quando il team ha aggiunto nuovamente lo strato di cellule viventi in questo sistema di gel, la distribuzione delle particelle è cambiata di nuovo. Hanno scoperto che la grande maggioranza delle particelle vicino allo strato cellulare si muoveva velocemente nella fase acquosa, suggerendo che le cellule creano un confine fluido e limpido attorno a loro. Man mano che le particelle si allontanavano dalle cellule, era più probabile che incontrassero la fase densa e gelatinosa. Questa scoperta è cruciale perché mostra che l'interfaccia tra le cellule e il fluido circostante non è un muro solido, ma una zona dinamica dove le regole del movimento cambiano. I ricercatori hanno anche notato che la carica delle particelle influenzava il loro comportamento in queste zone, con le particelle cariche negativamente che generalmente mantenevano un percorso più fluido rispetto alle loro controparti cariche positivamente.

Questo nuovo modello fornisce uno strumento potente agli scienziati per testare quanto bene funzioneranno i nuovi sistemi di somministrazione di farmaci prima che vengano mai utilizzati su un paziente. Replicando i complessi strati dell'occhio — le cellule viventi, il fluido ricco di proteine e il gel dell'umore vitreo — i ricercatori possono vedere esattamente come si comporterà un vettore di farmaci in un contesto realistico. Lo studio dimostra che il successo di un trattamento non dipende solo dal farmaco stesso, ma da come esso interagisce con le proteine nel fluido e con l'ambiente creato dalle cellule. Con questa comprensione, gli scienziati possono ora progettare vettori migliori che siano meno inclini a incastrarsi e più propensi a raggiungere la destinazione, riducendo potenzialmente il numero di iniezioni dolorose di cui i pazienti hanno bisogno per le malattie della retina. Il lavoro offre un modo chiaro e riproducibile per studiare queste interazioni, trasformando un complesso mistero biologico in un processo gestibile e osservabile.