Intervista a Paolo Decuzzi, coordinatore del “Nanotechnology for Precision Medicine” Lab di IIT

Il cervello è un organo un po’ speciale, che non solo racchiude la coscienza che ci rende umani e non solo genera riflessi condizionati o incondizionati, ma ha anche una funzione di controllo sugli altri organi vitali. Ed è proprio questa sua straordinarietà che rende tutto più complicato, quando parliamo di terapie. Paolo Decuzzi – Direttore del Laboratorio di Nanotecnologie per la Medicina di Precisione presso l’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova – racconta la sua attività di ricerca su nuovi metodi di trattamento di neoplasie al cervello, ictus e altre patologie. Un racconto complesso e affascinante, dal quale emergono le difficoltà e i paradossi che il mondo della ricerca, dei nuovi materiali e della medicina di frontiera incontrano ripetutamente lungo l’ardua strada del progresso.

Paolo Decuzzi è alla guida di due progetti finanziati dall’ERC, i cui argomenti sono distinti dal punto di vista delle applicazioni biomedicali. L’ERC Consolidator ‘POTENT’, in dirittura di arrivo, aveva come obiettivo quello di sviluppare dispositivi nano e micrometrici, per trattare il glioblastoma multiforme, uno dei tumori cerebrali più aggressivi. L’ERC Proof of Concept ‘Resolve’ mira invece alla realizzazione di una tecnica di trattamento dell’ictus ischemico.

Quali sono ad oggi i trattamenti del glioblastoma multiforme?

La particolarità dei tumori al cervello è che non sono nella lista dei tumori più ricorrenti e più diffusi, ma sono purtroppo estremamente aggressivi. Non esistono delle cure molto efficaci nei confronti di questi tumori e quello che si fa oggi è sottoporre il paziente a tre step successivi di terapia. Il primo è quello della rimozione chirurgica della massa tumorale, che ha dei limiti perché non solo la massa può essere difficilmente raggiungibile, ma questa può essere anche diffusa e quindi non facilmente rimovibile. Inoltre, bisogna tenere conto che la rimozione del tessuto cerebrale non è come quella di altre parti dell’organismo, perché il cervello controlla gli altri organi vitali. Quindi, uno dei problemi che il neurochirurgo deve affrontare è la rimozione in sicurezza della massima quantità di tessuto tumorale, tale per cui non venga danneggia la capacità cerebrale e la qualità di vita del paziente ma,  al tempo stesso, si eviti una rapida ricaduta. Il secondo step è sottoporre il paziente a dei cicli di radioterapia, quindi di “illuminazione” del tessuto malato con radiazioni che vadano a danneggiare le cellule cancerogene. Ma non è mai un’azione mirata, in quanto le radiazioni vanno inevitabilmente a colpire anche cellule sane o a sclerotizzare localmente il sistema vascolare. Il terzo step terapeutico consiste nel somministrare, talvolta anche durante la radioterapia, il farmaco temozolomide (TMZ), che è l’unico approvato per il trattamento di questi tumori, ma ha un potere citotossico molto blando. Questo protocollo terapeutico a tre step porta, tuttavia, ad un allungamento dell’aspettativa di vita che va dai 12 ai 20 mesi circa, a seconda del paziente e della gravità della situazione.

Ecco che, nel progetto ‘Potent’ dell’ERC, sono state sviluppati nuovi metodi di trattamento.

Nel progetto abbiamo seguito due strade complementari. La prima riguarda l’utilizzo di particelle simili a delle piastrine del nostro sangue per forma e dimensione: esse hanno infatti una forma discoidale e le loro dimensioni sono dell’ordine di un micron (un milionesimo di metro). Le particelle sviluppate prendono infatti il nome di Discoidal Polymeric Nanoconstructs (Nanocostrutti Discoidali Polimerici). Queste particelle vengono caricate con un farmaco estremamente potente, il docetaxel (DTXL), e diventano così i vettori del farmaco.

Da cosa sono composte queste particelle?

Sono realizzate con due polimeri (catene di molecole) identificati con le sigle PLGA e PEG. Si tratta di polimeri molto noti al mondo della ricerca scientifica e alle Agenzie Regolatorie per l’approvazione di nuovi farmaci e dispositivi biomedicali (AIFA, EMA e FDA). Quest’ultime hanno il compito di scrutinare la tossicità e l’efficacia di nuove terapie per autorizzarne o meno il commercio. I materiali usati sono quindi convenzionali; quello che cambia è l’architettura, ovvero il modo in cui questi materiali sono stati “intrecciati” per realizzare una particella discoidale di un micron. In altre parole, ne abbiamo variato la fisica, non la chimica. Questo cambia i risultati, senza tuttavia dover seguire una lunga serie di step di approvazione di un nuovo materiale e quindi rendendo accessibile l’applicazione in meno tempo. Si tratta comunque di qualche anno dal termine degli studi preclinici fino all’approvazione della terapia.

Perché proprio una particella discoidale delle dimensioni di un micron?

Nell’ambito di questo progetto abbiamo dimostrato che questa forma permette alla particella di raggiungere più facilmente e con più alta specificità il vaso malato: le sue proprietà geometriche permettono alla particella di non depositarsi nei vasi sani, ma di depositarsi in maniera più specifica in quelli danneggiati. Questo ci consente di aumentare significativamente la quantità di farmaco che può essere depositata nel tessuto malato.

Qual è la seconda strada seguita nel corso del progetto?

In parallelo, abbiamo sviluppato un altro sistema, chiamato micro-MESH (ìMESH), realizzato con gli stessi identici materiali con cui sono realizzate le microparticelle di forma discoidale, ma che segue un approccio completamente distinto. Non si parla più di un sistema iniettabile a livello di vasi sanguigni, ma è un sistema che può essere applicato sulla superficie del tessuto malato, prima o dopo la rimozione della massa tumorale. Come già detto, in caso di rimozione chirurgica, non è possibile togliere quanto tessuto si voglia, perché questo andrebbe a compromettere la qualità della vita del paziente. Questo significa che vengono lasciati sempre dei margini, che possono rapidamente svilupparsi e far sì che il tumore si ripresenti. È stato pertanto pensato questo dispositivo da applicare sulla superficie malata. Si tratta essenzialmente di un impianto: nella stessa operazione chirurgica in cui si rimuove il tumore, viene depositata questa ìMESH sulla superficie del tessuto malato restante.

Come funziona questo sistema?

A questo dispositivo è stato assegnato il termine ìMESH, perché assomiglia a una microscopica rete da pescatore. Di fatto è come se si andasse a depositare sul tumore una rete da pescatore, che ha come obiettivo quello di pescare le cellule malate. Nei fili di questa rete viene depositato il farmaco o nanoparticelle caricate con il farmaco, o anche entrambi: l’utilizzo delle nanoparticelle consente una somministrazione più mirata del farmaco e sono necessarie soprattutto quando il farmaco che si utilizza non è in grado di raggiungere da solo l’interno della cellula malata, in quanto si degrada rapidamente; in tal caso, le nanoparticelle sono in grado di trasportarlo direttamente all’interno della cellula. Quindi, depositare sui fili della rete sia il farmaco libero che le nanoparticelle caricate con un farmaco diverso da quello libero, ci permette di realizzare una terapia di combinazione, in modo da attacare la neoplasia da più fronti. La caratteristica della ìMESH è, come per la rete da pescatore, la capacità di cambiare facilmente la sua forma, risultando un sistema molto flessibile che riesce a conformarsi alla superficie su cui viene depositata. Proprio per queste sue caratteristiche, essa è in grado di rilasciare il farmaco dalla superficie verso l’interno del tessuto malato.

A che punto sono le sperimentazioni?

La sperimentazione delle nanoparticelle a forma di piastrina sta continuando e in questo periodo stiamo facendo esperimenti preclinici per confermarne l’efficacia. Su altri tipi di tumore, abbiamo già osservato l’incisività di questa applicazione, ad esempio sul tumore alla mammella. Per quanto riguarda il dispositivo a rete, invece, abbiamo un brevetto e il primo lavoro scientifico in corso di revisione. Nel caso della ìMESH abbiamo terminato la sperimentazione preclinica. In particolare, abbiamo svolto due tipologie di esperimenti, utilizzando non solo quelle che si chiamano linee cellulari convenzionali (campioni di cellule da laboratorio), ma anche su cellule autentiche prelevate da paziente e forniteci dai nostri collaboratori al San Raffaele di Milano. Queste cellule permettono di avere dati più accurati per quel che riguarda le proprietà biochimiche e biofisiche della malattia.

Cosa è stato osservato dalla sperimentazione preclinica?

Nei casi in cui non abbiamo rimosso la massa tumorale e abbiamo applicato la ìMESH sulla superficie del tumore, l’aspettativa di vita in esperimenti preclinici è stata triplicata rispetto al trattamento convenzionale con TMZ. Nei casi, invece, in cui la massa tumorale è stata rimossa, fino a 250 giorni termine dell’esperimento, la sopravvivenza è stata del 100%. Sull’uomo, questo suggerirebbe una totale remissione della malattia per molti anni. Per il trattamento con ìMESH è stato utilizzato il DTXL in combinazione con un farmaco convenzionale anti-infiammatorio.

Come raggiungere l’applicazione a livello clinico?

In questo progetto, benché non siano inclusi nell’ERC, stanno collaborando con noi un gruppo di biologi molecolari specializzati in tumori al cervello del San Raffaele di Milano e un gruppo di neurochirurghi pediatrici del Lucile Packard Children’s Hospital della Stanford University. Sviluppare queste attività in collaborazione con biologi e ‘clinical scientist’ è fondamentale, per accelerare la migrazione delle nuove tecnologie verso la clinica. Questo aiuta a trasformare un bel lavoro scientifico in un oggetto tecnologico che possa essere efficacemente usato per migliorare la qualità della vita, o anche salvare la vita, di centinaia di migliaia di persone.

Queste potenziali nuove terapie funzionerebbero anche su altri tipi di tumore?

Gli studi che facciamo sono applicati al tumore al cervello, perché il progetto europeo che abbiamo vinto riguardava specificatamente il “Brain Tumor”. Tuttavia, l’approccio può essere applicato ad altre neoplasie, come per esempio il tumore al colon-retto. Al fine di rendere l’applicazione più flessibile, stiamo provando a modulare le ìMESH per fornire diverse funzionalità e renderla applicabile in diversi ambiti. Stiamo guardando a diverse applicazioni non solo per interesse scientifico, ma anche perché un dispositivo versatile sarebbe di maggior interesse per le case farmaceutiche, in quanto il bacino di potenziali clienti aumenterebbe significativamente. In generale, i tumori al cervello, pur non essendo malattie rare, sono molto meno diffuse rispetto ad altre neoplasie. E purtroppo, quando si parla di un modesto numero di pazienti, la ricaduta economica è minima per le case farmaceutiche e talvolta l’investimento risulta poco conveniente.

PLGA e PEG i due polimeri di cui sono costituite sia le particelle discoidali che la ìMesh. Perché è stato deciso di agire sull’architettura di questi polimeri già noti, e non sull’utilizzo di altri nuovi polimeri?

Il PLGA viene utilizzato in applicazioni biomediche da oltre 20 anni, durante i quali sono stati realizzati tanti altri polimeri, talvolta anche migliori del PLGA a livello preclinico. Ad esempio, il PCL ha la caratteristica di degradarsi molto più lentamente e garantirebbe quindi un rilascio di farmaco per tempi molto più lunghi. Purtuttavia, nessuno si prende la briga di fare studi in vivo sull’uomo con nuovi polimeri, perché per prima cosa l’Ente Regolatorio chiederebbe giustamente di dimostrare prima cosa succede in termini di processo di degradazione e dei prodotti del processo stesso. Dimostrato che il polimero di per sé è sicuro, solo dopo potremmo partire con la sperimentazione clinica del complesso ‘polimero più farmaco’. Già questo sarebbe pertanto uno studio clinico molto costoso, che potrebbe essere giustificato solo se il nuovo materiale fosse ordini di grandezza (10 – 100 volte) superiore rispetto al PLGA.

Due parole sul progetto Proof of Concept in corso.

Per quanto riguarda il Proof of Concept in corso, l’applicazione interessa sempre il cervello, ma in questo caso riguarda il trattamento dell’ictus ischemico. Le particelle discoidali a forma di piastrina, di cui abbiamo parlato, avendo la capacità di circolare per lungo tempo spinte dal sangue, sono state proposte come degli “spazzini dei vasi sanguigni”: quando c’è un’ostruzione del vaso, queste vanno a sciogliere il ‘tappo’, consentendo una rapida ricanalizzazione e una nuova circolazione del sangue, che impedisce la morte dei neuroni e i conseguenti danni permanenti. Il problema dell’ictus o dell’embolia in generale è determinato dal tempo che si ha a disposizione per intervenire. L’operatore sanitario che preleva il paziente da casa per trasportarlo in ospedale, ha la capacità di capire se effettivamente si tratta di una banale emicrania o di un ictus in corso, ma non ha nessun mezzo per poterlo diagnosticare in maniera precisa: il paziente deve essere portato in ospedale e sottoposto a una tomografia, ma tutto questo può richiedere fino a qualche ora e nel frattempo il coagulo può crescere e arrecare danni cerebrali permanenti. L’idea è quindi quella di rendere l’applicazione delle particelle discoidali talmente semplice e senza effetti collaterali, che l’operatore sanitario possa immediatamente iniettare la soluzione prima ancora che il paziente arrivi in ospedale. Questo è stato già dimostrato in vitro utilizzando sangue da donatore. Il Proof of Concept in atto ha l’obiettivo di dimostrarlo anche a livello preclinico. Per farlo, ci siamo connessi con uno dei gruppi più conosciuti in questo ambito a livello europeo, che si trova in Francia all’Università di Cain, e stiamo collaborando con l’Ospedale Galliera di Genova. A causa della pandemia da Covid-19, le attività hanno subito un arresto fra marzo e luglio, ma adesso siamo ripartiti e stiamo andando avanti. Contiamo di terminare questa attività per l’Autunno del 2021.