Drug delivery di peptidi antimicrobici

I peptidi antimicrobici (AMP), noti anche come peptidi di difesa dell’ospite, sono brevi sequenze peptidiche di lunghezza compresa tra 12 e 100 aminoacidi. Gli AMP possiedono attività antimicrobiche contro vari microrganismi e sono cruciali sia per il sistema immunitario innato che per quello acquisito come meccanismo di difesa. Alcuni di questi AMP hanno anche dimostrato di avere attività antimicrobiche contro ceppi batterici multiresistenti (MDR). Essi sono di natura cationica e anfifilica. Queste caratteristiche svolgono un ruolo importante nel meccanismo mediante il quale si intercalano nel doppio strato fosfolipidico della membrana cellulare microbica, portando alla depolarizzazione della membrana e alla permeabilizzazione cellulare. Di conseguenza, questi peptidi causeranno il rilascio di contenuti cellulari biologicamente importanti ergo provocheranno la morte microbica.

L’attività antimicrobica di questi peptidi sembra essere più rapida rispetto ai farmaci antimicrobici convenzionali, che insieme ai nuovi farmaci si trovano ad affrontare la sfida alla resistenza antimicrobica. Alla luce di ciò, esiste una probabilità che gli AMP abbiano successo laddove gli agenti antimicrobici convenzionali hanno fallito. La speranza è che questi peptidi possano superare la resistenza agli agenti antimicrobici in virtù delle loro interazioni target uniche. Gli AMP svolgono le loro attività antimicrobiche attraverso attacchi alla membrana microbica e come tali richiederebbero molto probabilmente la ristrutturazione della membrana microbica per determinare la resistenza all’AMP.

storia delle terapie antibatteriche dal 1900 — *Figura 1 – Timeline della resistenza ad agenti antimicrobici*

Limitazioni cliniche degli AMP

Di tutti i peptidi antimicrobici identificati, un numero limitato è arrivato agli studi clinici e pochissimi sono attualmente approvati dalla Food and Drug Administration (FDA) statunitense. Limitazioni all’utilizzo clinico dei peptidi antimicrobici sono:

la tossicità sistemica
la suscettibilità proteolitica
la rapida clearance del rene
la breve emivita

Modifiche chimiche e strategie peculiari di somministrazione e delivery sono strade possibili per superare queste difficoltà di farmacocinetica. Tali modifiche hanno migliorato significativamente l’indice terapeutico degli AMP.

Drug delivery

I sistemi di drug delivery sono applicazioni delle nanobiotecnologie che utilizzano un’ampia gamma di nanomateriali di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm. Tali sistemi sono anche chiamati di nano-delivery e sono emersi come sistemi di consegna ideali per gli AMP.

Questi strumenti “nanobiotech” possono essere utilizzati per ottenere dei miglioramenti delle proprietà degli AMP. Tra queste proprietà troviamo: stabilità, tossicità, emivita e profilo di rilascio. Gli AMP possono essere facilmente fissati o incapsulati nei sistemi di delivery con metodi di legame covalenti e non covalenti.

i nanomateriali presentano grandezze intermedie tra quelle di molecole e di particelle virali — *Figura 2 – Scala di grandezze biologiche che include i nanomateriali*

Vari nanomateriali, incluse nanoparticelle (NPs) metalliche (AuNPs, AgNPs su tutte) e polimeriche (chitosano e PLGA), possono essere utilizzati per il rilascio di vari AMP. Tra questi peptidi troviamo: surfactina, cecropina e un peptide pro-apoptotico. Il successo dei nanocarrier (Fig. 3) è dimostrato nella letteratura scientifica anche con altri agenti antimicrobici, che includono:

Nanoparticelle di Argento (AgNPs) per l’Ampicillina
NP di Silicio per LL-37
Nanoparticelle polimeriche (PLGA) per la Colistina
Chitosano /PGA per il delivery di nisina, vancomicina, LL-37, cryptdin-2 e temporin B.

7 compenti funzionali del drug delivery di peptidi antimicrobici mediato da nanomateriali — Figura 3 – Panoramica dei nanocarrier caricati con AMP e della loro modalità d’azione. Strutturalmente, gli AMP sono classificati in quattro gruppi (1); diversi nanocarrier sono stati studiati come trasportatori efficaci di AMP (2); diverse nanoformulazioni di AMP possono essere ottenute attraverso varie coniugazioni tra peptidi e nanocarrier (3); esposizione di microbi a queste nanoformulazioni di AMP (4); entrano nelle cellule batteriche tramite trasporto passivo o attivo (5); portando all’attacco della membrana batterica da parte degli AMP attraverso vari modelli di meccanismo (6) e infine alla morte batterica(7).

Attività antimicrobica dei nanomateriali

La ricerca di nuovi agenti antimicrobici è aumentata esponenzialmente a causa di una maggiore incidenza di infezioni microbiche e antibiotico resistenza. Il progresso della ricerca ha anche portato a un maggiore utilizzo delle NP per applicazioni biomediche grazie al loro ampio spettro di attività contro i microrganismi. Studi in vitro hanno mostrato l’attività battericida di vari nanomateriali contro batteri sia Gram-positivi che Gram-negativi. Studi in vivo su modelli murini infettati hanno ottenuto risultati simili. Un esempio di attività microbicida sinergica dimostrata riguarda le nanoparticelle di PLGA (acido poli lattico-co-glicolico). Questi carrier polimerici, se caricati con farmaci antimicrobici, hanno mostrato una maggiore attività antibatterica rispetto ai soli farmaci o alle NP non caricate. Inoltre alcuni nanomateriali possono fungere da vettori per bypassare meccanismi di difesa dei microrganismi e potenziare ulteriormente gli effetti antimicrobici.

Nanomateriali come le nanoparticelle metalliche (AuNPs, AgNPs), NP polimeriche, liposomi, micelle e nanotubi di carbonio sono stati tutti utilizzati come vettori o trasportatori di farmaci. La funzione di questi vettori è di diminuire gli effetti collaterali, abbassare il dosaggio del farmaco, mantenere costanti i livelli di farmaco nel sangue, massimizzare l’indice terapeutico e ridurre la degradazione del farmaco e gli effetti collaterali indesiderati.

Vettori nanoibridi

La combinazione di due o più nanomateriali (nanoibridi) con diverse proprietà fisico-chimiche sta diventando popolare, poiché è stato dimostrato che i nanoibridi hanno una farmacocinetica migliorata e bioattività sinergiche. Diverse composizioni nanoibride sviluppate da nanocompositi inorganici/inorganici o inorganici/organici sono state esplorate per applicazioni biomediche. Tra le NP inorganiche, le AgNP (nanoparticelle di Argento) sono ampiamente esplorate come agenti antimicrobici ad ampio spettro e sono utilizzate in prodotti di consumo certificati. L’argento può essere complessato con vari altri metalli come l’ossido di rame, l’oro, e il platino per produrre nanoibridi con proprietà sinergiche o uniche superiori ai soli AgNP. I nanoibridi hanno migliorato l’efficacia degli agenti antimicrobici quando utilizzati come vettori o in terapia combinata.

Conclusione

Le nanoparticelle sono state coinvolte in diverse applicazioni nel campo della biomedicina e hanno dimostrato di essere veicoli efficaci per la somministrazione di farmaci e un potenziale agente antimicrobico alternativo. I nanomateriali sono ampiamente implicati nella progettazione di AMP con attività potenziata verso i microrganismi multi resistenti. Tuttavia, sono ancora da risolvere alcune problematiche legate ai peptidi antimicrobici come citotossicità, protocolli di coniugazione, profili di stabilità e durata di conservazione.

I microrganismi si evolvono geometricamente più velocemente della scoperta e dell’implementazione degli antibiotici. Inoltre, gli antibiotici hanno gradualmente perso la loro attività antimicrobica e sono comparsi numerosi batteri resistenti a questi farmaci a causa di un uso eccessivo o improprio. Sebbene gli AMP siano stati pensati come un’alternativa agli antibiotici, c’è ancora un pool ristretto di peptidi ben caratterizzati. La scarsa farmacocinetica dei farmaci peptidici è lo svantaggio maggiore per l’applicazione di questi ultimi in clinica. L’uso di sistemi di delivery dei peptidi antimicrobici può facilitare notevolmente il loro avanzamento nelle sperimentazioni e, in definitiva, essere fondamentale per la loro applicabilità clinica.