Nanosisteme terapeutice pentru transportul și eliberarea la țintă a substanțelor medicamentoase, dezvoltate la UMFIH Cluj.

Cercetătorii Facultății de Farmacie din cadrul Universității de Medicină și Farmacie ”Iuliu Hațieganu” (UMFIH) Cluj-Napoca dezvoltă nanosisteme terapeutice de tipul nanoparticulelor lipidice și polimerice pentru transportul și eliberarea la țintă a substanțelor medicamentoase, folosind substanțe active convenționale, dar și acizi nucleici. Dintre nanosistemele dezvoltate, cele de tip lipozomal  au aplicabilitate în industria farmaceutică, dar și în cea cosmetică sau a suplimentelor alimentare. Aceste sisteme au dimensiuni cuprinse între 20 și 500 de nanometri, un nanometru fiind un miliard dintr-un metru.

Prof. Ioan Tomuță, de la Disciplina de Tehnologie Farmaceutică și Biofarmacie, a declarat pentru Cluj24 că cercetătorii clujeni care lucrează în domeniul nanosistemelor terapeutice au o experiență de peste 20 de ani, când aceste sisteme erau încărcate cu substanțe medicamentoase de sinteză.

”Începând din anul 2019 am început să încorporăm în aceste nanosisteme farmaceutice și material genetic, mai exact acizi nucleici. Diferența între acizii nucleici și substanțele active de sinteză chimică, constă în modul în care acestea își exercită acțiunea terapeutică, ceea ce face diferite și cerințele legate de compoziția și prepararea sistemului de administrare.

Noi am lucrat cu două categorii de material genetic, cu ARN mesager și cu ARN de interferență, iar nanosistemele farmaceutice în care avem experiență sunt reprezentate de lipozomi și nanoparticule polimerice.

Lipozomii sunt vezicule sferice constituite dintr-un nucleu hidrofil înconjurat de una sau mai multe membrane lipidice bistratificate, formate în special din fosfolipide.

Avantajul lor este că pot să încorporeze atât substanțe hidrofile în interiorul cavității lipozomului, cât și substanțele lipofile, în stratul dublu fosfolipidic, dar pot forma și complecși cu acizii nucleici, dacă au o compoziție lipidică adaptată acestui scop. Nanoparticulele polimerice se prezintă ca particule sferice cu dimensiuni variind între 1-1000 nm, polimerii utilizați pentru încorporarea materialului genetic fiind de obicei cationici.

Aceștia sunt capabili să formeze poliplecși prin încorporarea acizilor nucleici în interiorul matriței polimerice sau adsorbția la suprafață prin intermediul interacțiunilor electrostatice între grupările cationice ale polimerilor și grupările fosfat cu sarcină negativă ale acizilor nucleici.

În acest domeniu avem o strânsă colaborare cu Centrele de Cercetare din  universitate (Genomică și MedFUTURE). Noi ne ocupăm de tehnologia de fabricare a nanosistemului și stabilim formula de fabricație, adică ce fosfolipide sau polimeri folosim, ce adjuvanți, cum este colesterolul în cazul lipozomilor, în ce proporții, care sunt condițiile tehnologice de fabricație care ne permit să obținem sistemul cu caracteristicile fizice dorite.

După ce am obținut aceste nanosisteme și le-am caracterizat farmaceutic (mărime medie și polidispersie, potențial zeta, încărcare cu substanță medicamentoasă etc.) la noi în laborator,  colegii noștri din centrele de cercetare le evaluează din punct de vedere al efectului biologic, în prima fază in vitro – pe culturi de celule, și ulterior in vivo – pe animale”, a explicat profesorul clujean.

Transportor universal

Potrivit acestuia, în studiile derulate s-a lucrat în special la dezvoltarea unor sisteme pentru terapia la țintă a cancerului, dar și a altor afecțiuni, cum sunt cele de natură inflamatorie (osteoartrită, colită ulcerativă). Nanosistemele s-au testat in vitro pe culturi de celule specifice țesutului țintă, de exemplu celule canceroase de cancer pulmonar și hepatic, pentru a se observa, practic, dacă materialul genetic este eliberat în interiorul celulei bolnave.

”În funcție de materialul genetic pe care îl încorporez, răspunsul biologic obținut va fi diferit. Și noi vrem să facem un fel de transportor universal, adică lipozomi care să poată să includă ulterior alt material genetic similar, pe care să îl transfere (transporte și elibereze) în celula țintă.

Toate preparatele de acest gen se administrează injectabil, iar domeniul de mărime al transportorului, pentru a fi internalizat în celule ținte,  a fost între 50 și 120-150 de nanometri.

Preparatele obținute de noi sunt sub formă de dispersie lichidă, care conține lipozomi cu aceste dimensiuni, și care au o stabilitate limitată de câteva zile sau săptămâni. Pentru a fi utilizați în industria farmaceutică este nevoie de o stabilitate mult mai mare, de luni sau ani de zile. Pe acest domeniu, dar folosind lipozomi încărcați cu substanțe medicamentoase de sinteză, am reușit stabilizarea lipozomilor pe perioade lungi de timp (1-3 ani) prin liofilizare.

Liofilizarea este o tehnică de uscare, la temperaturi scăzute, bazată pe sublimarea gheții. Practic noi la dispersia lipozomală am adăugat crioprotectori, și eliminând apa prin liofilizare am transformat produsul  într-o pulbere. Sub această formă, lipozomii au o stabilitatea mult mai mare, de ani de zile, perioadă de stabilitate adecvată pentru fi fabricați de industria farmaceutică în vederea folosirii lor în clinică.

Din ce motiv, pulberea liofilizată poate fi transformată într-o dispersie lipozomală cu caracteristici similare cu cele din momentul fabricării dacă readucem în sistem apa eliminată prin liofilizare, practic la patul pacientului, persoana care administrează trebuie numai să facă o reconstituire a lipozomilor, prin adăugare de apă”, a precizat Ioan Tomuță.

BioNTech, deschizător de drumuri

Potrivit acestuia, tratamentul cancerului folosind material genetic este în studiu de mai mulți ani, cel mai mediatizat și cunoscut publicului larg fiind cel ale companiei BioNTech care, înainte de a fabrica vaccinul anti-COVID, avea în dezvoltare, în diferite etape de studiu clinic, mai multe produse medicamentoase anticanceroase în care substanța medicamentoasă reprezentată de material genetic este încapsulată în nanoparticule lipidice.

”Dezvoltarea vaccinului s-a realizat foarte rapid deoarece s-a luat secvența din materialul genetic al virusului COVID responsabilă de răspunsul imun, și s-a încorporat în nanosistemul studiat în detaliu înainte, pentru a dezvolta medicamente anticanceroase.

BioNTech a lucrat ani de zile pentru dezvoltarea nanoparticulelor lipidice solide (nu lipozomi) capabile de transport și eliberare intracelulară de material genetic, iar pentru dezvoltarea vaccinului anti-COVID, în nanosistemul pe care ei îl aveau, au încorporat alt material genetic, ceea ce le-a permis să înceapă foarte repede studiile clinice în colaborare cu Pfizer.

Noi ne ocupăm de partea de fabricație, dezvoltare tehnologică a nanosistemului. Realizăm în primul rând un profil de calitate țintă al nanosistemului, adică stabilim ce caracteristici trebuie să aibă acesta pentru a asigura transportul și eliberarea materialului genetic în celula țintă, apoi în laborator încercăm diferite condiții experimentale ca să obținem nanosisteme cu aceste caracteristici țintă, analizăm fizico-chimic nanosistemele preparate și definim care din caracteristicile farmaceutice sunt atribute critice de calitate.

După ce am obținut și caracterizat farmaceutic nanosistemele, mergem în etapa următoare, de evaluare a performanței nanosistemului preparat, pe culturi de celule. Pe baza rezultatelor referitoare la performanța sistemului, modificăm formularea și condițiile experimentale de preparare astfel încât să avem internalizarea optimă a nanosistemului încărcat cu material genetic în celula țintă și o transfecție crescută”, a precizat cercetătorul UMFIH Cluj-Napoca.

Aparatură de fabricare a lipozomilor

Pentru fabricarea lipozomilor, la Facultatea de Farmacie a UMFIH Cluj-Napoca există infrastructura adecvată, sunt disponibile două tehnologii de fabricare a lipozomilor, una clasică și una modernă, aceasta din urmă folosind un omogenizator de înaltă presiune.

”Tehnologia clasică este practic imposibil de industrializat, prin această tehnologie poți să prepari lipozomi în volum de câțiva mililitri, dar în urmă cu doi ani ne-am achiziționat un omogenizator de înaltă presiune care ne permite prepararea de lipozomi de la câțiva mililitri până la sute de mililitri fără nicio problemă”, a precizat Tomuță.

În ceea ce privește dezvoltarea și fabricarea în România de produse cu lipozomi, acesta vede aplicabilitatea lipozomilor nu în tratamentul cancerului, deoarece pentru a scoate pe piață un produs medicamentos de tip lipozomal, investiția necesară realizării studiilor clinice în vederea demonstrării eficienței și siguranței, se ridică la câteva miliarde de lei, ci în alte domenii ca fabricarea produselor cosmetice și a suplimentelor alimentare.

”Un domeniu în care eu văd că s-ar putea foarte ușor implementa tehnologia de fabricare a lipozomilor este cel cosmetic. Sunt multe produse cosmetice cu CoQ10, vitamina E, sau acid hialuronic lipozomal, fabricate inclusiv la Cluj, dar lipozomii nu sunt obținuți de companiile care fabrică produsele cosmetice, ci sunt aduși din străinătate.

Noi avem la disciplină tehnologia pentru fabricarea acestor lipozomi și posibilitatea de a le customiza caracteristicile în funcție de cerințele produsului cosmetic. În acest domeniu cred că mult mai repede ar putea ajunge un produs pe piață și noi avem tehnologia și cunoștințele necesare pentru a prepara lipozomi cu caracteristicile dorite pentru a putea fi încorporați în produse cosmetice.

Alt domeniu este cel al preparatelor orale, în condițiile în care sunt disponibile pe piață foarte multe preparate orale lipozomale cu NADH, coenzima Q10, vitamina C, D, E. Și în acest domeniu putem fabrica aceste preparate sub formă de dispersii lipozomale, folosite în suplimentele nutritive sau alimentare. Mai mult, putem stabiliza lipozomii pe o perioadă lungă de timp, fie prin liofilizare (tehnologie folosită în special pentru preparate injectabile), fie îi uscăm prin pulverizare în curent de aer cald (spray drying), tehnologie care se pretează în special la fabricarea de preparate solide orale”, a menționat Ioan Tomuță.

Tratamente în diverse boli

”Datorită expertizei noastre în dezvoltarea lipozomilor, am  fost implicați ca parteneri și într-un proiect european (CARTAGO), în care am dezvoltat un nanosistem pentru a transporta acizi nucleici la nivelul condrocitelor, în cartilagiul de la nivelul genunchiului.

Acest sistem are aplicații potențiale în tratamentul osteoartritei de la acest nivel, boală cu un mecanism fiziopatologic complex. Sistemul propus de noi permite transportul în țesutul afectat al unor acizi nucleici care să reducă expresia genelor responsabile de procesul inflamator, dar și a altor principii active care acționează prin inhibarea altor mecanisme responsabile de progresia bolii, efectul obținut fiind unul complex.

De asemenea, am dezvoltat în cadrul unui proiect de cercetare postdoctorală, un sistem nanoparticulat polimeric încărcat cu ARN scurt de interferență. În cadrul proiectului, am urmărit dezvoltarea și optimizarea formulării unor nanoparticule pe bază de trimetilchitosan, încărcate cu ARN și acid ascorbic, precum și evaluarea eficacității acestuia în tratamentul colitei ulcerative induse experimental la animale de experiență”, a explicat Ioan Tomuță.