Design of an innovative on-line device to encapsulate drugs into erythrocytes as an alternative to the conventional chemotherapeutic treatment

Nowadays, chemotherapeutic treatments are associated to severe side effects, which often are related to the massive amount of drugs that have to be administered. In this field, particular interest has been given to the study of drug delivery systems, capable of carrying encapsulated drug molecules inside the organism and to release them in a controlled way. Among biological carriers, red blood cells (RBCs) seem to be very promising: this work is part of the research regarding the mechanical encapsulation of drug molecules into erythrocytes. In particular, this paper gives a first look at the design of an on-line-with-patient device able to apply this new technology, representing a valid alternative to the conventional chemotherapeutic treatment. It develops into four parts: Chapter 1: State of the art – This chapter focuses on three different topics. First of all, red blood cells structure and functioning are presented. Secondly, a literature analysis on the already existing approach to the use of RBCs as drug delivery systems is provided. Finally, chemotherapy and chemotherapeutic drugs today in commerce are studied, giving also a perspective on the most interesting oncologic fields of application. Chapter 2: Materials and Methods - Firstly, with the intention to compare the new therapy to the conventional intravenous drug injection, drug pharmacokinetic is studied in both cases. Once proved the advantages of the new therapy system in chemotherapy administration, the second section of the materials and methods chapter focuses on circuit components. A preliminary sketch of the complete circuit is given, then components are analysed one by one: - Loading Cartridge: three different loading cartridge are designed taking into account three drug molecular dimensions: small (<1kDa), medium (40kDa) and large (150kDa); - Accesses; - Pumping system; - Mixing component. At the end, the circuit components are assembled to build the final extracorporeal circuit. Chapter 3: Results and Discussions – This chapter reflects the section organizations already described in Material and Methods (Pharmacokinetics, Circuit components, Circuit). Chapter 4: Conclusions – Based on the results presented in the previous chapter, conclusions are summarized and ideas on how to further develops were explicated.

Ad oggi, I trattamenti chemioterapici sono associati a numerosi effetti collaterali, spesso legati alle ingenti quantità di farmaco che devono essere somministrate. Nell’ambito della cura delle malattie oncologiche, particolare interesse viene dato allo studio dei mezzi di rilascio di farmaco, capaci di veicolare all’interno del corpo molecole di farmaco che possono essere rilasciate in un secondo momento in maniera controllata. Tra i mezzi di rilascio biologici, particolare interesse viene dato ai globuli rossi: questo lavoro di tesi si inserisce nell’ambito della ricerca riguardo l’incapsulamento meccanico di molecole di farmaco all’interno di essi. In particolare, si è cercato di dare una visione d’insieme al problema, muovendosi nella direzione di costruire un dispositivo che possa funzionare in linea con il paziente a sostituzione della terapia convenzionale. La tesi è strutturata in quattro capitoli: Capitolo 1: Stato dell’arte – Il capitolo si concentra su tre argomenti principali. Prima di tutto, vengono introdotti struttura e funzione dei globuli rossi. Quindi si è condotta una ricerca di letteratura sui quali siano ad oggi i meccanismi studiati per utilizzare i globuli rossi come mezzi di rilascio. Infine, viene studiata la chemioterapia ed i farmaci utilizzati per la sua cura, al fine di identificare quali possano essere i campi oncologici dove la terapia convenzionale possa avere maggiori benefici. Capitolo 2: Materiali e metodi – Vengono confrontati i modelli farmaco-cinetici di rilascio di farmaco associati alla terapia convenzionale endovenosa e alla nuova terapia con incapsulamento nei globuli rossi. Dopo averne provato i vantaggi, il capitolo prosegue nella progettazione del circuito finale, focalizzandosi su tutte le sue componenti: - Cartuccia di caricamento: sono state progettate tre cartucce di caricamento, che differiscono per la dimensione della molecola da incapsulare (piccole, medie, grandi); - Accessi; - Sistema di pompaggio; - Componente di mixaggio. Infine, i componenti del circuito sono stati assemblati per creare il dispositivo finale. Capitolo 3: Risultati e Discussioni – Il capitolo rispecchia la divisione utilizzata nel capitolo materiali e metodi. Capitolo 4: Conclusioni – Basandosi sui risultati presentati, si riassumono le principali conclusioni delineando possibili sviluppi futuri.