Synthesis of TEMPOL grafted hydrogels as potential agents for MRI

For more than a decade, hydrogels have been extensively studied and used as drug delivery media and tissue repairing materials, benefitting from their softness and excellent biocompatibility. Literature on directly labeling hydrogels with a contrast agent is not so common, even if this field shows many prospective applications. For instance, hydrogels can be employed for carrying drugs and their release in vivo could simultaneously be monitored with the help of MRI over a prolonged period. The aim of this thesis is the synthesis of new hydrogels as contrast agents media for MRI. For this purpose, hydrogels are labelled by TEMPOL, which is a paramagnetic spin label and, hence, can be detected by MRI. TEMPOL is particularly attractive because it is an alternative to Gadolinium, the current most common probe, with the drawback of being highly toxic for human body. Compared to Gadolinium, TEMPOL shows many advantages, such as comparatively high relaxation time, prolonged blood half-life, excellent biocompatibility and safe biodegradation properties. In our case, the required functionalized polymers for hydrogels syntheses are based on PAA and PEG. Two different approaches were applied to functionalize the polymers with TEMPOL: on the one hand we took advantage of click chemistry, on the other hand we exploited alternative and more classical organic syntheses. In addition, we have exploited the possibility to form β-cyclodextrins-TEMPO hydrogels, synthetized in collaboration with Prof. Punta’s group. Finally, the effectiveness of our materials has been evaluated through biological assays at Mario Negri Institute for Pharmacological Research.

Da più di un decennio gli idrogel vengono studiati come materiali per il drug delivery e per l’ingegneria tissutale, grazie alla loro struttura flessibile e l’elevata biocompatibilità. Non è molta, tuttavia, la letteratura scientifica relativa all’uso degli idrogel come mezzi di contrasto, anche se in questo campo d’applicazione si stanno attualmente sviluppando interessanti prospettive. Gli idrogel, per esempio, potrebbero essere usati come carrier di un farmaco e simultaneamente permettere il monitoraggio del suo rilascio attraverso la risonanza magnetica per un periodo di tempo biologicamente significativo. Lo scopo di questa tesi è la sintesi di nuovi idrogel come agenti di contrasto per la risonanza magnetica. A questo fine, gli idrogel sono stati funzionalizzati con il TEMPOL, che è uno spin label paramagnetico e quindi può essere monitorato attraverso la risonanza magnetica. Il TEMPOL costituisce un materiale particolarmente interessante perché rappresenta un’alternativa al Gadolinio, attualmente usato come agente di contrasto nonostante i rischi legati alla sua tossicità. Rispetto al Gadolinio, infatti, il TEMPOL presenta molti vantaggi: tempi di rilassamento relativamente elevati, una prolungata emivita, eccellente biocompatibilità e sicura biodegradabilità. I polimeri funzionalizzati, scelti per la sintesi degli idrogel, sono basati su PAA e PEG. In tutti i casi sono stati effettuati differenti approcci per connettere il polimero con il TEMPOL, sfruttando sia reazioni di click chemistry che metodi di sintesi più classici. Abbiamo infine anche indagato, in modo preliminare, la possibilità di sintetizzare degli idrogel funzionalizzati con β-ciclodestrine-TEMPO, in collaborazione del gruppo di ricerca del Prof. Punta. In ultimo, l’efficacia dei nostri sistemi è stata poi testata mediante prove sperimentali di carattere biologico grazie alla collaborazione con l’Istituto di Ricerca Farmacologica Mario Negri di Milano.