Negative biomolecular corona characterization : insight on the effects of nanocarrier interactions on the blood environment

For many diseases (e.g. cancer) the actual successful therapies can cause unwanted side effects determining disadvantages for the patients. Moreover, multi-dose therapies are necessary due to the metabolic degradation. Drug delivery systems represent a promising approach to overcome these issues, since they are developed with the main purpose of selectively delivering the active components to a target location of the body, reducing dosage and side effects. Although different nanomaterials are already available as potential carrier systems, their commercialization still needs insight into relevant aspects for the application in vivo. Among them, the understanding of interactions between nanoparticles and biological fluids represents a fundamental aspect to be analysed. Indeed, the chemical characterization of the nanomaterials is not enough to describe the physiological response, because once the drug is administrated the so called “biomolecular corona” develops around the nanocarrier. Only the proteins attached to the nanocarrier are usually analysed while few information is today available regarding the interactions with other biomolecules, such as lipids, and on the effects on free proteins, the so-called supernatant. These interactions can cause denaturation of the biomolecules or local depletion of individual plasma components, leading to potential reactions of the immune system. For the above-mentioned reasons, this Master thesis presents the aim of proposing a method able to point out changes in the blood plasma supernatant after contact with nanomaterials. Its major characteristic was the use of a separation technique, the asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4), before the analysis of the composition. The goal was obtaining a better insight, since each fraction could be analysed individually. A simplified biological environment, definable “artificial” plasma, made of the main plasma proteins, was initially created to prove the applicability of the method. Then, the complexity of the system was progressively increased, moving from other biomolecule types (lipoproteins) to full plasma. Finally, due to the relevant role of the nanocarrier surface chemistry on the interactions with the biological environment, it was of interest observing how this can differently affect the supernatant composition. Therefore, the method, firstly proved with a model nanocarrier system, was then applied to a biocompatible nanocarrier type with promising applications in nanomedicine.

Per molte patologie cliniche (e.g. tumori) le attuali terapie provocano effetti collaterali che influiscono sulla qualità della vita dei pazienti. Sono inoltre previste numerose somministrazioni al fine di contrastare la degradazione metabolica del farmaco da parte dell'organismo. I sistemi di rilascio controllato rappresentano una promettente alternativa ai farmaci convenzionali al fine di ridurre questi effetti indesiderati, in quanto sono stati sviluppati con l'obiettivo di somministrare il principio attivo esclusivamente in specifici organi e tessuti, riducendo in questo modo dosaggio ed effetti collaterali. Attualmente è possibile reperire sul mercato differenti tipologie di nanomateriali candidati a tale scopo. La loro commercializzazione non può tuttavia prescindere da una completa e dettagliata comprensione di aspetti rilevanti per la loro applicazione in vivo. Tra questi, risulta fondamentale l'analisi delle interazioni tra nanocarrier e fluidi biologici e dei loro possibili effetti. La sola caratterizzazione chimica dei nanomateriali non è infatti sufficiente a descrivere la risposta fisiologica poiché una “corona” di biomolecole si sviluppa intorno al nanocarrier subito dopo la sua somministrazione. Fino ad ora solo le proteine attaccate sulla superficie del nanocarrier sono state ampliamente analizzate. Poche informazioni sono invece reperibili riguardo le interazioni con altre biomolecole, come i lipidi, così come sugli effetti sulle proteine rimanenti nell'ambiente biologico circostante, il cosiddetto supernatante. Queste interazioni possono provocare denaturazione delle biomolecole o la loro locale riduzione in concentrazione, determinando possibili reazioni da parte del sistema immunitario. Per i motivi sopracitati, l’obiettivo principale di questa tesi di Laurea Magistrale è stato quello di sviluppare un metodo operativo in grado di determinare possibili cambiamenti nel supernatante del sangue umano in seguito al contatto con nanomateriali. La principale caratteristica del metodo proposto è quella di prevedere una fase iniziale di separazione, tramite asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4), in modo da migliorare la successiva analisi dei componenti una volta frazionati. L'applicabilità del metodo è stata inizialmente provata mediante l'analisi di un sistema biologico semplificato, chiamato “plasma artificiale”, costituito dalle principali proteine presenti nel plasma. La complessità del sistema è stata in seguito progressivamente incrementata andando dall' analisi di tipologie di biomolecole differenti (lipoproteine) al plasma nella sua interezza. Visto l'impatto delle proprietà superficiali del nanocarrier sulle interazioni con l'ambiente biologico circostante, è stato infine studiato come queste possono influire differentemente sulla composizione del supernatante. A tal fine, dopo essere stato provato mediante l'uso di un nanocarrier modello, il protocollo sviluppato è stato applicato all' analisi di una tipologia di nanocarrier biocompatibile con promettenti applicazioni nell' ambito della nanomedicina.