Development of engineered nanoparticles as cancer theranostic systems

Nanomedicine is a new branch of medicine that focuses on the application of nanomaterials for detection and treatment of human diseases. Nanoparticles (NPs) are one of the most versatile drug delivery and diagnostic devices. In particular, in last decades, the attention has been posed on NPs that combine diagnosis and therapy ability into one single theranostic nanostructure. Among all the possible types of NPs studied in nanomedicine, this work focused on the production, development and optimization of water-soluble magnetite NPs as possible theranostic agents and fluorinated Au NPs as 19F MRI probes. Hydrophobic SPIONs have been synthetized and then stabilized with an amphiphilic protein with the formation of water-soluble SPIOs supraparticles. The coating protocol has been proposed and optimized by NFMlab research group; it involves the use of the “surfactant protein” class II Hydrophobin as coating agent. The optimized process produces colloidal stable protein coated supraparticles of different sizes depending on the experimental conditions. Validation of HPB II coated SPION to encapsulate a hydrophobic molecule has been tested with encouraging results, which need further investigation. Fluorinated AuNPs have been successfully synthesized by a modification of the Brust direct method and also by exchange reactions. The developed processes produce reproducible fluorinated NPs in terms of size and surface functionalization. In some cases, a fragmentation process occurred probably induced by the excess of fluorinated ligands, but still not completely understood. Qualitative and quantitative characterization has been performed by Dynamic light scattering (DLS), Zeta-potential, Transmission electron microscopy (TEM) and by spectroscopic techniques as Inductively coupled plasma emission (ICP-AES), UV-Vis, Fourier transform infrared (FT-IR), fluorescence and circular dichroism (CD). This work also investigated the interaction of AuNPs with model cell membranes through neutron reflectometry measurements, performed by the “Soft matter Science and Support” group at ILL (Grenoble, France), to better understand how the NPs properties affect their biological behaviour.

La nanomedicina è un nuovo settore della medicina volto all'applicazione di nanomateriali per la diagnostica e la cura delle più diffuse patologie umane. In questa direzione, le nanoparticelle (NPs) sono una delle tecnologie più innovative e versatili per la veicolazione di farmaci e per la diagnostica. In particolare, negli ultimi anni, l’attenzione si è concentrata su NPs che possano combinare proprietà diagnostiche e terapeutiche in una singola nanostruttura teranostica. Tra tutti i tipi di NPs studiati in nanomedicna, questa tesi si è focalizzata sulla produzione, sviluppo e ottimizzazione di NPs di magnetite (SPIONs), idrosolubili e teranostiche e di NPs d’oro fluorurate che possano essere usate come agenti di contrasto per la 19F MRI. SPIONs idrofobiche sono state sintetizzate e poi stabilizzate grazie all’utilizzo di una proteina anfifilica, creando quindi dei cluster di SPIONs idrosolubili. La procedura di rivestimento è stata proposta e ottimizzata dal gruppo di ricerca del NFM lab. Essa consiste nell’utilizzare come agente di rivestimento una ”proteina tensioattiva” chiamato Idrofobina (HPB) di tipo II. Il processo è in grado di produrre NP rivestite di proteina che siano stabili, con dimensioni variabili secondo le condizioni sperimentali. Inoltre, è stata studiata la possibilità di incapsulare molecole idrofobiche all’interno dei cluster di SPION rivestiti con HPB; i risultati in tal senso sono stati incoraggianti ma necessitano un ulteriore approfondimento. Le AuNPs fluorurate sono state sintetizzate con successo tramite una modifica del metodo diretto di Brust e tramite reazioni di scambio. Il procedimento sviluppato ha prodotto NPs fluorurate con dimensione e funzionalizzazione superficiale riproducibili. In alcuni casi si è riscontrato un processo di frammentazione non del tutto compreso, probabilmente causato dall’eccesso di ligandi fluorurati. La caratterizzazione qualitativa e quantitativa è stata condotta tramite Dynamic light scattering (DLS), Zeta-potential, microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e tramite tecniche di spettroscopia quali la Inductively coupled plasma emission (ICP-AES), spettroscopia UV-Vis, spettroscopia infrarossa (FT-IR), fluorescenza e dicroismo circolare (CD). Questo lavoro si è anche concentrato sullo studio delle interazioni delle Au NPs con modelli di membrane cellulari tramite esperimenti di riflettometria a neutroni. Questo è stato fatto per una migliore comprensione dell’effetto delle NPs, in base alle loro caratteristiche, sulle loro proprietà biologiche. Gli esperimenti sono stati condotti dal “Soft matter Science and Support” group presso l’Institut Laue-Langevin (Grenoble, Francia).