Le terapie a base di proteine come enzimi, anticorpi, citochine, ormoni e fattori di crescita si sono dimostrate altamente efficaci nel trattamento di diverse malattie1. Se miglioriamo la nostra comprensione di come fornire questi agenti terapeutici, potremmo far progredire in modo significativo la biotecnologia per l'applicazione di queste sostanze come medicinali/trattamenti medici1. L'efficacia delle terapie proteiche è limitata dalla loro biodistribuzione, dal costo e dagli effetti fuori bersaglio. Sono stati tentati diversi approcci per migliorare la farmacocinetica e la farmacodinamica delle terapie proteiche, tra cui la PEGilazione, la glicosilazione, la lipidazione e la fusione di altre proteine2. La "targetability" è un'altra preoccupazione perché la maggior parte delle attuali terapie proteiche ha più siti d'azione, con conseguenti effetti fuori bersaglio. In particolare, il targeting di questi farmaci nei siti desiderati potrebbe abbassare la dose terapeutica richiesta e ridurre gli effetti collaterali2. Se si potesse limitare la somministrazione del farmaco al sito d'azione previsto, potrebbe essere possibile migliorare radicalmente il trattamento, limitando al contempo gli effetti collaterali indesiderati "fuori bersaglio" di questi farmaci.
Attualmente vengono utilizzati diversi dispositivi medici che contengono terapie, come gli stent a rilascio di farmaco con un rivestimento antiproliferativo contenente clopidogrel, vincristina e vinblastina per aiutare a prevenire la restenosi e la necessità di ripetere la rivascolarizzazione dopo il cateterismo cardiaco3. Inoltre, sono stati creati stent ureterali biodegradabili a rilascio di farmaco contenenti paclitaxel, doxorubicina, gemcitabina e altri agenti antiproliferativi per aiutare a trattare il carcinoma uroteliale del tratto superiore4. Man mano che questi stent si degradano, i farmaci antitumorali vengono rilasciati localmente in modo controllato, prolungando la somministrazione del farmaco senza la necessità di dosaggi aggiuntivi4. Questa metodologia consente l'effetto a lungo termine dei farmaci antitumorali nel sito d'azione previsto, prevenendo al contempo la necessità di esposizione sistemica, limitando l'azione del farmaco sulle cellule non tumorali e riducendo la tossicità del farmaco. Inoltre, la natura biodegradabile dello stent può anche prevenire la necessità di una procedura di rimozione dello stent4.
La sindrome dell'intestino corto (SBS) è un'altra condizione in cui l'uso di terapie a base di proteine ha mostrato un miglioramento significativo nei pazienti5. La SBS può manifestarsi attraverso vari meccanismi, ma si traduce in una lunghezza intestinale inadeguata, causando malassorbimento e malnutrizione. Terapie, come gli analoghi del peptide 2 simile al glucagone (GLP-2), possono essere utilizzate prima di passare alla gestione chirurgica di questa condizione5. Il GLP-2 umano, un ormone peptidico nutriente sistemico, è prodotto nell'intestino tenue distale e nel colon dalle cellule endocrine di tipo L. Il GLP-2 induce la proliferazione delle cellule della cripta intestinale, promuove la riparazione della mucosa danneggiata, inibisce l'apoptosi delle cellule epiteliali intestinali e migliora l'apporto di sangue intestinale5. Gli analoghi del GLP-2, come teduglutide, sono stati approvati per i pazienti di età pari o superiore a 1 anno per il trattamento della SBS per aiutare ad aumentare l'adattamento intestinale naturale6. Naturalmente, l'adattamento intestinale può richiedere anni e si traduce in uno svuotamento gastrico ritardato per aumentare il tempo di assorbimento e in un aumento del diametro dovuto alla dilatazione intestinale per aumentare la superficie di assorbimento7. Gli analoghi del GLP-2 hanno la stessa attività farmacologica del GLP-2 naturale pur avendo una struttura più stabile, consentendo un'emivita più lunga e una maggiore affinità con i bersagli5. Attualmente, il costo annuale di teduglutide è di $ 295.000 e il dosaggio del paziente è di 0,05 mg / kg al giorno5. Gli effetti collaterali di teduglutide includono nausea, vomito, diarrea, dolore addominale, perdita di peso, polipi gastrointestinali e aumento della crescita dei tumori esistenti5.
In precedenza, il nostro laboratorio ha dimostrato che il dispiegamento di un manicotto di espansione intestinale (IES) (Figura 1) era in grado di produrre un allungamento immediato del 36,2% dell'intestino tenue ex vivo e un allungamento del 30,2% dell'intestino tenue dopo un mese di dispiegamento in vivo 6,8. Questo dispositivo potrebbe diventare una terapia per i pazienti affetti da SBS che potrebbe ridurre la dipendenza dalla nutrizione parenterale. La capacità di bioconiugare le terapie con il dispositivo IES potrebbe migliorare ulteriormente la capacità di enterogenesi di distrazione aggiungendo l'agonista della crescita della mucosa intestinale GLP-2 al dispositivo. Le membrane di alcol polivinilico (PVA) sono polimeri idrofili che possono essere preparati sciogliendo il PVA in acqua, colandolo su un supporto strutturale e quindi reticolando con la glutaraldeide utilizzando l'acido solforico come catalizzatore9. Queste nanoparticelle di idrogel hanno dimostrato di avere un potenziale come sistemi di somministrazione di farmaci attraverso la diffusione del farmaco, il rigonfiamento della matrice di idrogel e la reattività chimica del farmaco/matrice10. Il PVA è stato approvato dalla FDA per l'uso clinico nell'uomo grazie alla sua eccellente biocompatibilità e sicurezza11. La polimerizzazione del PVA dà luogo a gruppi terminali che consentono la bioconiugazione12.
I dispositivi IES/VES hanno una lunghezza di 3 cm con una superficie esterna di 9.425 cm2 in grado di fondere con membrane PVA. Queste membrane PVA possono essere bioconiugate con GLP-2 per consentire la somministrazione localizzata e concentrata di agenti terapeutici. Abbassando la dose richiesta del farmaco e bypassando la necessità di somministrazione sistemica, evitando effetti negativi fuori sede del trattamento. Questo può aiutare a mitigare il costo di questi farmaci costosi richiedendo un dosaggio inferiore e il rilascio ritardato del farmaco può ridurre la frequenza di dosaggio, riducendo ulteriormente i costi. Il rivestimento del dispositivo IES con GLP-2 potrebbe ridurre i dosaggi richiesti, far risparmiare denaro ai pazienti, evitare la somministrazione sistemica, prevenire gli effetti negativi del trattamento e mantenere una somministrazione continua del farmaco al sito target. Questo rapporto valuta la misura in cui una proteina terapeutica, come il GLP-2, può essere legata covalentemente a dispositivi medici come i dispositivi IES/VES in quantità fisiologicamente significative per fornire il beneficio locale di questi farmaci evitando effetti fuori bersaglio.