I Quantum Dots forniscono vaccini e codificano in modo invisibile la storia della vaccinazione nella pelle

I ricercatori guidati da un team del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno creato una piattaforma di microaghi che utilizza microparticelle fluorescenti chiamate quantum dots (QD), in grado di somministrare vaccini e allo stesso tempo di codificare in modo invisibile la storia della vaccinazione direttamente nella pelle. I punti quantici sono composti da nanocristalli che emettono una luce nel vicino infrarosso (NIR) che può essere rilevata da uno smartphone appositamente attrezzato. I test condotti con la piattaforma hanno dimostrato che i QD consegnati a campioni di pelle umana erano ancora rilevabili dopo un fotoschiacciamento che simulava cinque anni di esposizione alla luce solare, e sono rimasti rilevabili fino a nove mesi quando sono stati testati nei ratti.

Gli esperimenti condotti su ratti vivi hanno confermato che i cerotti con microneeduli possono anche somministrare con successo un vaccino contro la polio a quantità tali da generare livelli di anticorpi terapeutici.

“È possibile che un giorno questo approccio ‘invisibile’ possa creare nuove possibilità per l’archiviazione dei dati, il biosensing e le applicazioni dei vaccini che potrebbero migliorare il modo in cui vengono fornite le cure mediche, in particolare nei Paesi in via di sviluppo”, ha dichiarato il ricercatore senior Robert Langer, PhD, professore del David H. Koch Institute del MIT.

“Questo studio ha confermato che l’incorporazione del vaccino con il colorante nei cerotti a microaghi non ha influito sull’efficacia del vaccino o sulla nostra capacità di rilevare il colorante”, ha aggiunto Ana Jaklenec, ricercatrice presso il Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT.

Langer e Jaklenec sono coautori dell’articolo pubblicato su Science Translational Medicine, intitolato “Biocompatible near-infrared quantum dots delivered to the skin by microneedle patches record vaccination”.

Si stima che i vaccini salvino 2-3 milioni di vite ogni anno, ma altri 1,5 milioni di morti prevenibili da vaccino si verificano ogni anno a causa della sottovaccinazione, soprattutto nei Paesi in via di sviluppo, hanno commentato gli autori. Un fattore che rende più difficili le campagne di vaccinazione in questi Paesi è la scarsa presenza di infrastrutture per la conservazione delle cartelle cliniche, per cui spesso non c’è un modo semplice per determinare chi ha bisogno di un determinato vaccino. Il problema è aggravato dal fatto che molti vaccini, come quello contro il morbillo, la parotite e la rosolia (MMR), richiedono dosi multiple distanziate da determinati intervalli.

“Per essere protetti dalla maggior parte degli agenti patogeni, è necessario sottoporsi a più vaccinazioni”, ha detto Jaklenec. “In alcune aree del mondo in via di sviluppo, può essere molto difficile farlo, perché mancano i dati su chi è stato vaccinato e se ha bisogno di ulteriori vaccinazioni o meno”.

Ma questi problemi non sono esclusivi del mondo in via di sviluppo. Come hanno scritto gli autori,

“… epidemie di morbillo e parotite negli Stati Uniti, in Australia e in Italia hanno evidenziato che la scarsa tenuta dei registri delle vaccinazioni non è esclusiva delle nazioni in via di sviluppo”.

 Senza registri di vaccinazione accurati, hanno sottolineato, gli operatori sanitari non dispongono di tutti i dati di cui hanno bisogno per prendere decisioni informate sulla somministrazione dei vaccini e potrebbero dover fare affidamento sul richiamo dei genitori.

 “Ciò può comportare l’applicazione di dosi di vaccino aggiuntive e non necessarie e quindi costi eccessivi o, più problematicamente, opportunità perse di vaccinare, che lasciano il bambino a rischio di contrarre malattie infettive”.

Diversi anni fa, il team del MIT ha deciso di ideare un metodo per registrare le informazioni sulle vaccinazioni in un modo che non richiedesse un database centralizzato o altre infrastrutture. Per creare una cartella clinica decentralizzata “sul paziente”, i ricercatori hanno ora sviluppato un nuovo tipo di punto quantico a base di rame, che emette luce nello spettro del vicino infrarosso. I punti hanno un diametro di circa 4 nm e sono incapsulati in microparticelle biocompatibili che formano sfere di circa 20 µm di diametro. Questo incapsulamento consente al colorante di rimanere in posizione, sotto la pelle, dopo essere stato iniettato.

I ricercatori hanno progettato il loro colorante per essere erogato da un cerotto con microaghi anziché utilizzare una siringa e un ago tradizionali. Tali patch sono ora in fase di sviluppo per fornire vaccini per morbillo, rosolia e altre malattie. 

“Utilizzando un fattore di forma microneedle, questa piattaforma dovrebbe essere facilmente assimilata nel futuro panorama della vaccinazione perché i microneedle sono attualmente in fase di sviluppo per diversi vaccini e hanno mostrato vantaggi come il risparmio della dose di antigene, una migliore stabilità dell’antigene e facilità di (auto) somministrazione rispetto alle tradizionali iniezioni solubili”,

hanno commentato i ricercatori.

Il rilevamento dei micropunti è possibile utilizzando smartphone appositamente adattati in grado di rilevare la fluorescenza nel vicino infrarosso. 

“Poiché questi telefoni offrono potenza di elaborazione integrata, applicazioni per fotocamere e moduli fotocamera economici di livello consumer, abbiamo scelto di adattare uno smartphone esistente per consentire l’imaging NIR piuttosto che creare un sistema di imaging completamente nuovo”, hanno scritto. 

“Inoltre, riteniamo che la familiarità con la funzione di questi dispositivi ridurrà la curva di apprendimento per l’imaging NIR in un ambiente sul campo”.

I microaghi utilizzati nello studio riportato sono costituiti da una miscela di zucchero solubile e un polimero chiamato PVA, oltre al colorante a punti quantici e, se appropriato, al vaccino. Quando il cerotto viene applicato sulla pelle, i microaghi, lunghi 1,5 mm, si dissolvono parzialmente, rilasciando il loro carico utile in circa due minuti.

Caricando selettivamente le microparticelle nei microaghi, i cerotti forniscono un motivo nella pelle invisibile a occhio nudo ma che può essere scansionato con uno smartphone a cui è stato rimosso il filtro a infrarossi. Il cerotto può essere personalizzato per imprimere diversi motivi che corrispondono al tipo di vaccino somministrato. I test sulla pelle di un cadavere umano hanno mostrato che i modelli di punti quantici potevano essere rilevati dalle fotocamere degli smartphone dopo cinque anni di esposizione al sole simulata. I ricercatori hanno anche testato la strategia di vaccinazione nei ratti, utilizzando patch di microaghi che hanno fornito i punti quantici insieme a un vaccino antipolio. Hanno scoperto che quei ratti hanno generato una risposta immunitaria simile alla risposta dei ratti che hanno ricevuto un tradizionale vaccino antipolio iniettato. 

“… gli anticorpi neutralizzanti ottenuti erano ben al di sopra della soglia considerata protettiva dai Centri statunitensi per il controllo e la prevenzione delle malattie”, hanno dichiarato i ricercatori.

La piattaforma potrebbe fornire ai medici un modo più affidabile per mantenere accurate le cartelle cliniche.

“In aree in cui le schede di vaccinazione cartacee vengono spesso smarrite o non esistono affatto e i database elettronici sono inesistenti, questa tecnologia potrebbe consentire il rilevamento rapido e anonimo della storia vaccinale dei pazienti, per garantire che ogni bambino sia vaccinato”, ha dichiarato Kevin McHugh, un ex postdoc del MIT che ora è assistente alla cattedra di bioingegneria della Rice University.

I ricercatori intendono collaborare con gli operatori sanitari delle nazioni africane in via di sviluppo per ottenere suggerimenti sul modo migliore di implementare questo tipo di registrazione delle vaccinazioni. Stanno inoltre lavorando per ampliare la quantità di dati che possono essere codificati in un singolo schema, consentendo di includere informazioni come la data di somministrazione del vaccino e il numero di lotto della partita di vaccino.

Sebbene i ricercatori ritengano che i punti quantici siano sicuri da usare in questo modo perché incapsulati in un polimero biocompatibile, sono previsti ulteriori studi di sicurezza prima di procedere con i test sugli esseri umani.

“Oltre al valore autonomo di una piattaforma di codifica e rilevamento delle informazioni per via intradermica, questo sistema potrebbe offrire maggiori vantaggi se somministrato insieme ai vaccini”, hanno dichiarato.

“Fornendo entrambi gli agenti nello stesso cerotto a microaghi, è possibile realizzare vantaggi in termini di costi di produzione ed eliminare la possibilità di un uso improprio (come l’applicazione del cerotto di codifica senza il vaccino)… In definitiva, riteniamo che questa tecnologia invisibile, ‘sul corpo’, apra nuove strade per l’archiviazione decentralizzata dei dati e le applicazioni di biosensing che potrebbero influenzare il modo in cui vengono fornite le cure mediche, soprattutto nei Paesi in via di sviluppo”.