Salpano da Palermo nanonavette in gel cariche di insulina indirizzate al cervello per trattare l'Alzheimer

È stata messa a punto da un'équipe di ricercatori appartenenti a quattro diverse strutture del capoluogo siciliano un'innovativa strategia per il trattamento della malattia di Alzheimer (AD): con l'ausilio di radiazioni ionizzanti sono state prodotte nanostrutture in gel in grado di trasportare molecole di insulina -protettiva rispetto all'AD in base a molte prove - direttamente nel sistema nervoso centrale (SNC), senza dispersione nel circolo sistemico. Il lavoro è apparso online su Biomaterials.

È stata messa a punto da un’équipe di ricercatori appartenenti a quattro diverse strutture del capoluogo siciliano un’innovativa strategia per il trattamento della malattia di Alzheimer (AD): con l’ausilio di radiazioni ionizzanti sono state prodotte nanostrutture in gel in grado di trasportare molecole di insulina –protettiva rispetto all’AD in base a molte prove – direttamente nel sistema nervoso centrale (SNC), senza dispersione nel circolo sistemico. Il lavoro è apparso online su Biomaterials.

«Un crescente numero di prove, negli anni recenti, ha legato l’insulinoresistenza e l’azione dell’insulina all’AD, una condizione anche riferita come “diabete di tipo 3” (T3D)» spiega il primo autore dello studio Pasquale Picone, dell’Istituto di Biomedicina e Immunologia Molecolare “A. Monroy” (IBIM) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), a Palermo. Gli altri autori afferiscono a due dipartimenti del locale Ateneo (quelli di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica, Meccanica e di Fisica e Chimica) e all’Istituto di Biofisica (IBF) del CNR, nella stessa città.

I recettori dell’insulina nel cervello e il loro legame con l’Alzheimer
«L’insulina e i recettori dell’insulina (IR), distribuiti lungo l’ippocampo e la corteccia cerebrale, giocano un ruolo vitale nell’apprendimento e nella memoria, e una loro ridotta presenza è una caratteristica dell’insulinoresistenza» spiegano Picone e colleghi. «Studi su colture di neuroni hanno dimostrato che gli IR sono ridistribuiti o ridotti di numero sotto lo stimolo della beta-amiloide (A-beta). A livello molecolare, l’insulinoresistenza corrisponde a un peggioramento del signaling dell’insulina e a una diminuita attivazione di pathway specifiche coinvolte nel metabolismo e nella crescita».

In particolare, ricordano gli autori, alti livelli di IR sono presenti nell’ippocampo sano, mentre livelli ridotti si riscontrano nel materiale cerebrale post mortem di pazienti con AD, suffragando l’ipotesi che un diminuito signaling insulinico sia correlato a deficit cognitivi e delle funzioni cerebrali nell’anziano.
«Recentemente» aggiungono gli studiosi «è stato dimostrato che l’insulina è in grado di ridurre la tossicità degli oligomeri di A-beta inibendo specifiche vie dell’apoptosi. Inoltre, l’attivazione del signaling insulinico offre un meccanismo neuroprotettivo per contrastare lo stress ossidativo, il danno mitocondriale e la neurodegenerazione innescata dall’A-beta».

Il passaggio dell’insulina trasportata dai nanogel attraverso la barriera ematoencefalica
Il rilascio di insulina al cervello, però, rappresenta un problema tecnico molto complesso. L’insulina presente nel SNC adulto deriva principalmente dalle beta-cellule pancreatiche ed è traportato dal liquido cerebrospinale (CSF) al cervello, spiegano i ricercatori. L’insulina attraversa la barriera ematoencefalica (BEE) soprattutto tramite un processo attivo mediato da un trasportatore, saturabile, aggiustabile e sensibile alla temperatura. Un aumento acuto dei livelli di insulina periferica porta a maggiore quantità di insulina nel CSF mentre una cronica iperinsulinemia periferica (come avviene nell’insulinoresistenza) causa una down-regulation degli IR a livello della BEE, riducendo il trasporto dell’ormone nel cervello.

A questo punto si innesta la possibile soluzione, nata nel mondo della bioingegneria. «Per decenni gli idrogel sono stati ingegnerizzati e applicati come strumenti per il rilascio di farmaci a causa della loro elevata biocompatibilità, per la loro consistenza soffice ed elastica, simile a quella dei tessuti naturali, responsivi agli stimoli» scrivono Picone e colleghi. «Più di recente i loro analoghi nanoscalari, i nanogel (NG), sono stati presi in considerazione come nanotrasportatori di farmaci. Di dimensioni tra i 10 e i 100 nm, possono essere dispersi in un mezzo acquoso mantenendo la loro conformazione stabile».

Questi i principali vantaggi dei NG, viene spiegato: le dimensioni, la carica elettrica superficiale, la densità della maglia e i gruppi chimici funzionali che possono essere opportunamente controllati e regolati per ottenere le proprietà strutturali e funzionali desiderate. L’équipe italiana ha voluto quindi sviluppare un sistema basato sui NG per veicolare l’insulina nel SNC con l’obiettivo di sviluppare una nuova strategia di trattamento per l’AD.

Lo sviluppo del sistema e i test di efficacia effettuati dai ricercatori italiani
Gli scienziati hanno scelto, come substrato per il legame covalente di insulina, un sistema di carbossil-funzionalizzato poli(N-vinil pirrolidone) nanogel prodotto mediante radiazioni ionizzanti. Dopo avere dimostrato la biocompatibilità (assenza di tossicità e di risposte proliferative, immunogene e trombogeniche) e l’emocompatibilità del carrier “nudo”, sono stati effettuati esperimenti che hanno dimostrato anche come l’insulina coniugata all’NG (NG-In) fosse protetta dalla degradazione a opera delle proteasi e in grado di legarsi agli IR.

Inoltre, è stato verificato che, dopo il legame al recettore, NG-In fosse capace di innescare il signaling dell’insulina attraverso l’attivazione della via AKT. Un altro aspetto decisivo è stata la verifica della neuroprotezione operata da NG-In contro le disfunzioni indotte da A-beta. «Il nostro obiettivo finale era il trasporto al cervello di insulina dove quest’ultima potesse giocare un ruolo neuroprotettivo e possibilmente anche terapeutico» sottolineano gli autori. «A tale scopo abbiamo testato l’effetto di NG-In in presenza di A-beta».

Colture di cellule neuronali sono state esposte alla sola A-beta, ad A-beta e NG, ad A-beta e insulina libera e ad A-beta e NG-In e sottoposte a test di vitalità cellulare e a ispezione morfologica microscopica. Si è così verificato che «la tossicità causata da A-beta era quasi completamente recuperata quando NG-In era integrata nella coltura cellulare, rispetto alle cellule non trattate, mentre un minore effetto protettivo è stato riscontrato con l’insulina libera». È stato dimostrato, inoltre, come NG-In riuscisse a contrastare la produzione di radicali liberi dell’ossigeno, diminuire lo stress ossidativo intracellulare e la produzione di superossido mitocondriale indotta da A-beta.

Infine, è stata verificata la capacità di NG-In di essere trasportato con efficienza attraverso la BEE. Nel complesso, affermano gli autori, questi risultati indicano che il sistema sintetizzato NG-In è un sistema disponibile in grado di trasportare, proteggere e veicolare l’insulina al cervello, allo scopo di superare i limiti connessi alla somministrazione di insulina libera.

In particolare i ricercatori ritengono che i nanogel siano un sistema «molto interessante, promettente e innovativo per il rilascio mirato di farmaci al cervello, che potrebbe essere proposto per la terapia dell’AD, per esempio per somministrazione endonasale» in spray. Ora la validazione proseguirà con esperimenti in vivo «i cui esiti potrebbero anche portare a ulteriori perfezionamenti».

Picone P, Ditta LA, Sabatino MA, et al. Ionizing radiation-engineered nanogels as insulin nanocarriers for the development of a new strategy for the treatment of Alzheimer's disease. Biomaterials, 2015 Dec 2. [Epub ahead of print
leggi