Affrontare il cancro su scala nanometrica

Quando Paula Hammond arrivò per la prima volta al campus del MIT come studentessa del primo anno nei primi anni ’80, non era sicura di farne parte. In effetti, come ha detto al pubblico del MIT, si sentiva “un’impostora”.

Tuttavia, quella sensazione non durò a lungo, poiché Hammond iniziò a trovare sostegno tra i suoi compagni studenti e tra i docenti del MIT. “La comunità era davvero importante per me, sentire di appartenere, sentire di avere un posto qui e ho trovato persone disposte ad abbracciarmi e a sostenermi”, ha detto.

Hammond, un ingegnere chimico di fama mondiale che ha trascorso gran parte della sua carriera accademica al MIT, ha espresso le sue osservazioni durante la conferenza del James R. Killian Jr. Faculty Achievement Award 2023-24.

Istituito nel 1971 per onorare il decimo presidente del MIT, James Killian, il Killian Award riconosce gli straordinari risultati professionali di un membro della facoltà del MIT. Hammond è stata scelta per il premio di quest’anno “non solo per i suoi straordinari risultati e contributi professionali, ma anche per il suo genuino calore e umanità, la sua premurosità e leadership efficace, nonché la sua empatia ed etica”, secondo la citazione del premio.

“Il professor Hammond è un pioniere nella ricerca sulle nanotecnologie. Con un programma che si estende dalla scienza di base alla ricerca traslazionale in medicina ed energia, ha introdotto nuovi approcci per la progettazione e lo sviluppo di complessi sistemi di somministrazione di farmaci per il trattamento del cancro e l’imaging non invasivo”, ha affermato Mary Fuller, presidente della facoltà del MIT e professoressa di letteratura, che ha consegnato il premio. “Come suoi colleghi, siamo lieti di celebrare la sua carriera oggi”.

A gennaio, Hammond ha iniziato a servire come vicerettore della facoltà del MIT. In precedenza, ha presieduto il Dipartimento di Ingegneria Chimica per otto anni ed è stata nominata Professore dell’Istituto nel 2021.

Una tecnica versatile

Hammond, cresciuta a Detroit, attribuisce ai suoi genitori il merito di aver instillato l’amore per la scienza. Suo padre era uno dei pochissimi dottorandi neri in biochimica dell’epoca, mentre sua madre conseguì un master in infermieristica presso la Howard University e fondò la scuola per infermieri presso il Wayne County Community College. “Ciò ha fornito enormi opportunità alle donne nell’area di Detroit, comprese le donne di colore”, ha osservato Hammond.

Dopo aver conseguito la laurea al MIT nel 1984, Hammond ha lavorato come ingegnere prima di tornare all’Istituto come studentessa laureata, conseguendo il dottorato di ricerca nel 1993. Dopo un postdoc di due anni presso l’Università di Harvard, è tornata per unirsi alla facoltà del MIT nel 1995. .

Al centro della ricerca di Hammond c’è una tecnica che ha sviluppato per creare pellicole sottili che possono essenzialmente “avvolgere” le nanoparticelle. Modificando la composizione chimica di questi film, le particelle possono essere personalizzate per fornire farmaci o acidi nucleici e colpire cellule specifiche del corpo, comprese le cellule tumorali.

Per realizzare queste pellicole, Hammond inizia stratificando polimeri caricati positivamente su una superficie caricata negativamente. Quindi, è possibile aggiungere più strati, alternando polimeri caricati positivamente e negativamente. Ciascuno di questi strati può contenere farmaci o altre molecole utili, come DNA o RNA. Alcuni di questi film contengono centinaia di strati, altri solo uno, il che li rende utili per un’ampia gamma di applicazioni.

“La cosa bella del processo strato per strato è che posso scegliere un gruppo di polimeri degradabili che sono ben biocompatibili e posso alternarli con i nostri materiali farmaceutici. Ciò significa che posso creare strati di pellicola sottile che contengono farmaci diversi in punti diversi della pellicola”, ha affermato Hammond. “Quindi, quando la pellicola si degrada, può rilasciare quei farmaci in ordine inverso. Questo ci consente di creare film complessi e multifarmaco, utilizzando una semplice tecnica a base d’acqua”.

Hammond ha descritto come queste pellicole strato per strato possano essere utilizzate per promuovere la crescita ossea, in un’applicazione che potrebbe aiutare le persone nate con difetti ossei congeniti o le persone che hanno subito lesioni traumatiche.

A tale scopo, il suo laboratorio ha creato film con strati di due proteine. Una di queste, BMP-2, è una proteina che interagisce con le cellule staminali adulte e le induce a differenziarsi in cellule ossee, generando nuovo osso. Il secondo è un fattore di crescita chiamato VEGF, che stimola la crescita di nuovi vasi sanguigni che aiutano la rigenerazione delle ossa. Questi strati vengono applicati su un’impalcatura tissutale molto sottile che può essere impiantata nel sito della lesione.

Hammond e i suoi studenti hanno progettato il rivestimento in modo che, una volta impiantato, rilasciasse VEGF precocemente, nell’arco di una settimana circa, e continuasse a rilasciare BMP-2 fino a 40 giorni. In uno studio sui topi, hanno scoperto che questa impalcatura tissutale stimolava la crescita di nuovo osso era quasi indistinguibile dall’osso naturale.

Mirare al cancro

In qualità di membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT, Hammond ha anche sviluppato rivestimenti strato per strato che possono migliorare le prestazioni delle nanoparticelle utilizzate per la somministrazione di farmaci antitumorali, come liposomi o nanoparticelle costituite da un polimero chiamato PLGA.

“Disponiamo di un’ampia gamma di vettori farmaceutici che possiamo confezionare in questo modo. Li considero come un gobstopper, dove ci sono tutti quei diversi strati di caramelle e si dissolvono uno alla volta”, ha detto Hammond.

Utilizzando questo approccio, Hammond ha creato particelle in grado di fornire uno-due colpi alle cellule tumorali. Innanzitutto, le particelle rilasciano una dose di acido nucleico come l’RNA interferente corto (siRNA), che può disattivare un gene canceroso, o il microRNA, che può attivare i geni soppressori del tumore. Quindi, le particelle rilasciano un farmaco chemioterapico come il cisplatino, al quale le cellule sono ora più vulnerabili.

Le particelle includono anche uno “strato invisibile” esterno caricato negativamente che le protegge dalla decomposizione nel flusso sanguigno prima che possano raggiungere i loro obiettivi. Questo strato esterno può anche essere modificato per aiutare le particelle a essere assorbite dalle cellule tumorali, incorporando molecole che si legano alle proteine ​​abbondanti sulle cellule tumorali.

In lavori più recenti, Hammond ha iniziato a sviluppare nanoparticelle che possono colpire il cancro ovarico e aiutare a prevenire il ripetersi della malattia dopo la chemioterapia. In circa il 70% delle pazienti affette da cancro ovarico, il primo ciclo di trattamento è altamente efficace, ma i tumori recidivano in circa l’85% di questi casi e questi nuovi tumori sono generalmente altamente resistenti ai farmaci.

Modificando il tipo di rivestimento applicato alle nanoparticelle che rilasciano farmaci, Hammond ha scoperto che le particelle possono essere progettate per penetrare all’interno delle cellule tumorali o aderire alle loro superfici. Utilizzando particelle che si attaccano alle cellule, ha progettato un trattamento che potrebbe aiutare a far ripartire la risposta immunitaria del paziente a qualsiasi cellula tumorale ricorrente.

“Con il cancro ovarico, in quello spazio esistono pochissime cellule immunitarie e, poiché non sono presenti molte cellule immunitarie, è molto difficile stimolare una risposta immunitaria”, ha detto. “Tuttavia, se riusciamo a fornire una molecola alle cellule vicine, quelle poche che sono presenti, e a farle andare su di giri, allora potremmo essere in grado di fare qualcosa”.

A tal fine, ha progettato nanoparticelle che rilasciano IL-12, una citochina che stimola le cellule T vicine a entrare in azione e iniziare ad attaccare le cellule tumorali. In uno studio sui topi, ha scoperto che questo trattamento induceva una risposta delle cellule T con memoria a lungo termine che preveniva la recidiva del cancro ovarico.

Hammond ha concluso la sua conferenza descrivendo l’impatto che l’Istituto ha avuto su di lei nel corso della sua carriera.

“È stata un’esperienza trasformativa”, ha detto. “Penso davvero che questo posto sia speciale perché unisce le persone e ci permette di fare insieme cose che da soli non potremmo fare. Ed è proprio il sostegno che riceviamo dai nostri amici, dai nostri colleghi e dai nostri studenti che rende davvero tutto possibile”.

Scritto da Anne Trafton

Fonte: Istituto di Tecnologia del Massachussetts