Preliminary studies of functionalized MWCNTs-wtDAAO as potential chemotherapeutic nanosystem

The current cancer treatments, chemotherapy and radiotherapy, have limitations in their efficiency, due to the low specificity and the presence of physical barriers, which limit the drugs’ penetration. Recently, Nanomedicine has introduced the use of new drug delivery systems, like functionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), to directly transport drugs into the tumor site. MWCNTs are carbon allotropes formed by many graphene sheets, whose surface could be functionalized by different chemical groups, polymer or peptides. Moreover, research on chemotherapy has tested different molecules that, when properly stimulated, are able to produce toxic substances directly inside cancer. An example is D-amino acid oxidase (DAAO, 40 kDa), which produces, after interaction with D-amino acids, hydrogen peroxide with toxic effects for cells. If DAAO would be specifically directed inside the tumor site, the production of H2O2 will occurred only in cancer cells, causing their death and preserving the health tissues. The aim of this work is to design a nano system for DAAO delivery, formed by functionalized MWCNTs, able to direct enzyme in pathological site through blood stream. The interaction with biological fluids, like human plasma, is essential for the biocompatibility of nanostructures. In fact when exogenous nanomaterials are in contact with physiological fluids, they interact with proteins and they form a layer on their surface, called protein corona or bio corona. The composition of bio corona depends on type of nanostructures, on type of functional groups, bound to surface, and on linked drugs. The protein corona may increase the biocompatibility of drug delivery system, controlling defensive processes like immune response and inflammation able to prevent the drug’s release in cancer cells.

I correnti trattamenti antitumorali, chemioterapia e radioterapia, presentano alcune limitazioni nella loro efficienza, quali la non specificità e la presenza di barriere fisiche, che limitano la penetrazione dei farmaci nel tumore. Recentemente, la nano-medicina ha introdotto l’uso di nuovi sistemi di drug delivery, come i nanotubi a parete multipla funzionalizzati (MWCNTs), per trasportare i farmaci direttamente nel sito tumorale. MWCNTs sono allotropi del carbonio formati da fogli di grafene, la cui superficie può essere funzionalizzata con diversi gruppi chimici, polimeri o peptidi. Inoltre, ricerche sulla chemioterapia hanno testato differenti molecole che, quando opportunamente stimolate, sono in grado di produrre sostanze tossiche direttamente nel tumore. Un esempio è la D-amino acidi ossidasi (DAAO, 40 kDa) che, dopo l’interazione con gli amino acidi di tipo D, produce acqua ossigenata, con effetti tossici sulle cellule. Se la DAAO viene specificatamente introdotta nel sito tumorale, la produzione di acqua ossigenata avverrà solo nelle cellule tumorali, causandone la morte e preservando i tessuti sani. Lo scopo di questo lavoro è di progettare un sistema nanometrico per il trasporto della DAAO, formato da MWCNTs funzionalizzati, capaci di trasportare l’enzima direttamente nel sito patologico attraverso il flusso sanguigno. L’interazione con i fluidi biologici, come il plasma umano, è essenziale per la biocompatibilità della nano-struttura. Infatti, quando materiali esogeni entrano in contatto con i fluidi biologici, interagiscono con le proteine che formano un layer sulla loro superficie, chiamato protein corona o bio corona. La composizione del protein corona dipende dal tipo di nano-struttura, dal tipo di gruppi funzionali legati alla superficie, o dai farmaci ancorati. Il protein corona può aumentare la biocompatibilità del trasportatore, controllando i processi difensivi come la risposta immunitaria e infiammatoria.