Protein stabilized nanoformulation of a superfluorinated 19F-MRI contrast agent

Nanomedicine is the medical application of nanomaterials. This interdisciplinary field of research at the interface between nanotechnology and medicine has already found wide applications in clinics ranging from medical diagnostics to drug delivery. Strategies of surface modulation and functionalization of designer nanomaterials have become progressively more refined and nowadays high-performance theranostic agents are available. In particular, multimodal contrast agents combine several imaging techniques, taking advantage of their individual and complementary strengths providing new insights on anatomical structures of previously unavailable targets. Accessing the full potential of these techniques requires the development of new formulations able to combine synergistically different contrast agents into one single nanosystem. In this context, this thesis project presents the development and optimization of a new nanoformulation of a superfluorinated 19F-MRI contrast agent, PERFECTA, by means of a natural biosurfactant, class II Hydrophobin (HFBII). PERFECTA molecule has been synthesized and a water dispersion coating protocol with the amphiphilic protein developed and optimized. The final procedure produces HFBII-coated fluorinated nanoparticles well-dispersed in a stable manner in acqueous solution. In vitro cellular viability has been tested, together with cellular uptake experiments to evaluate the biocompatibility and potential applicability of the new formulation. Characterization of the nanoformulation has been performed by Dynamic Light Scattering (DLS), Cryogenic Transmission Electron Microscopy (Cryo-TEM), Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared (ATR FT-IR), Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Magnetic Resonance Imaging (MRI). The obtained results pave the way towards new design principle for nanoformulation optimization by using natural surfactants, accessing a new biocompatibile platform suitable for multimodal bioimaging.

La Nanomedicina è l'applicazione dei materiali alla medicina. Questo campo scientifico interdisciplinare all'interfaccia tra la nanotecnologia e la medicina ha già trovato ampie applicazioni in campo clinico, a partire dalla diagnostica per immagini fino ai meccanismi di trasporto dei medicinali. Le strategie per la modulazione delle superfici e funzionalizzazione dei nanovettori si sono sempre di più affinate tanto che, oggigiorno, degli agenti teranostici sono disponibili. Nello specifico, gli agenti di contrasto multimodali uniscono diverse tecniche di diagnostica per immagini, sfruttando i punti di forza unici propri delle singole tecniche, fornendo informazioni circa strutture anatomiche precedentemente inarrivabili. Sfruttare a pieno il potenziale di queste tecniche richiede la creazione di nuove formulazioni capaci di combinare sinergeticamente diversi agenti di contrasto in un unico sistema. In tale contesto, questo progetto di tesi riguarda lo sviluppo ed ottimizzazione di una nuova nanoformulazione di un agente di contrasto al 19F per la risonanza magnetica, chiamato PERFECTA, attraverso l'utilizzo di un surfattante naturale, l'Idrofobina di classe II. La molecola di PERFECTA è stata sintetizzata ed stato sviluppato ed ottimizzato il protocollo di dispersione in acqua con la proteina anfifilica. La procedura finale produce nanoparticelle filmate dalla proteina, stabili e ben disperse in soluzioni acquose. La citotossicità in vitro e l'internalizzazione cellulare delle nanoparticelle sono state testate per valutare la biocompatibilità e la potenziale applicabilità della nuova formulazione. La caratterizzazione dei campioni è stata eseguita tramite diffusione dinamica della luce (DLS), microscopio a trasmissione elettronica criogenico (Cryogenic-TEM), riflettanza totale attenuata con trasformata di fourier (ATR FTIR), risonanza magnetica nucleare (RMN) e imaging a risonanza magnetica (RM). I risultati ottenuti aprono la strada verso un nuovo design finale di una nanoformulazione utilizzando un surfattante naturale, permettendo così la creazione di una piattaforma biocompatibile per una diagnostica per immagini multimodale.