Chemoselective functionalization of nanogels for selective cell treatments

Spinal cord injury (SCI) is an invalidating disease that involves the damage of the spinal cord or the nerves connecting the spine to the central and peripheral nervous system. This disease is characterized by the primary SCI that is the consequence of the primary traumatic event, and by the consequent inflammatory response, characterized by the activation of microglia/macrophages/astrocytes, that leads to an aggravation of the pathology and it is responsible for neurodegeneration and persisting pain state. A possible therapeutic approach is represented by the possibility to modulate the inflammatory response through the release of drugs in the damaged zone. Recent studies in polymer science and nanotechnologies show an increased interest for the nanogels (NGs), a new class of colloidal systems that can be used as carriers of drugs to treat SCI. In this thesis work our aim was to investigate many functionalization strategies of nanogels, so that cells, especially astrocyts, involved in the inflammatory response of SCI, can selectively internalize them. The nanogels were mainly synthesized using polyethylene glycol (PEG) and polyethylene immine linear (PEI), after having functionalized the PEI with a chromophore using a “click” reaction. This functionalization is essential for being able to constantly trace the nanogels during the biological assays. Two different chromophores and at the same time many different coating strategies (functionalization) of the nanogels were analysed: some of them have showed a good degree of internalization inside the cells. The release kinetics of the two mimetic drugs from the nanogels were analysed to understand how the functionalization affects the kinetics of the release. In vitro and in vivo biological tests have confirmed the potential of this polymer functionalization.

La lesione spinale è un trauma che può comportare gravi disabilità in seguito al danneggiamento del midollo spinale o delle vie nervose che collegano la colonna vertebrale al sistema nervoso centrale e periferico. Essa è caratterizzata da una fase primaria legata all’evento traumatico originario e da una risposta infiammatoria che ne consegue, caratterizzata dall’attivazione di microglia/macrofagi/astrociti che comporta un aggravamento della patologia stessa. Una possibile via terapeutica consiste nel regolare la risposta infiammatoria attraverso il rilascio di sostanze protettive nella zona interessata dal trauma limitando gli effetti negativi e pericolosi per la salute del paziente. I recenti studi sulla scienza dei polimeri e le nanotecnologie hanno permesso lo sviluppo di nuovi sistemi colloidali detti nanogeli, con lo scopo di utilizzari come veicolo per il trasporto di farmaci nel trattamento della lesione spinale. In questo lavoro di tesi l’obiettivo è stato quello di proporre differenti strategie di funzionalizzazione di nanogeli, in grado di essere selettivamente internalizzati dalle cellule coinvolte nella risposta infiammatoria della lesione spinale con particolare attenzione rivolta agli astrociti. I nanogeli sono stati sintetizzati prevalentemente da polietilene glicole (PEG) e polietilene immina lineare (PEI) dopo aver legato quest’ultimo polimero ad un cromoforo con una reazione di “click” in modo tale da poter costantemente tracciare i nanogeli durante i test cellulari. E’ stato così analizzato il comportamento di due diversi cromofori e anche diverse strategie di rivestimento (funzionalizzazione) dei nanogeli: alcune di esse hanno mostrato buoni livelli di internalizzazione e selettività nelle cellule. Sono state analizzate poi le cinetiche di rilascio di due farmacomimetici da questi nanogeli per studiarne la eventuale dipendenza dal tipo di funzionalizzazione. Test biologici in vitro e in vivo hanno confermato le potenzialità di questa funzionalizzazione polimerica.