Development and characterization of novel fluorocarbon nanoparticles for 19F MRI and optical imaging

The use of nanomaterials and nanotechnologies in medicine has increased interest for the possibility to prevent, diagnose and treat diseases at earlier stages. Indeed, nowadays, obtainment of molecular level images through non-radiative techniques allows the visualization and precise detection of defective cells and abnormal biological processes, without damaging patients with ionizing effects. Besides, development of nanovectors carrying multimodal contrast agents (CAs) can considerably increase not only the versatility, but also the image quality combining advantages of two or even more imaging techniques. Among developed and still in progress multimodal probes, those supporting 19F-MRI and fluorescence imaging in a single molecule have attracted much interest, offering the possibility to localize and track cells or to simultaneously administrate nanoparticles (NPs) with a good image resolution and sensitivity. In order to use these molecules, fundamental is development of biocompatible and biodegradable nanoformulations to disperse them in aqueous solutions. In this scenario, this research work aims to the development of a polymeric NP formulation containing innovative fluorinated functionalized boron-dipyrromethene (BODIPY) dyes using a well-known biodegradable and biocompatible polymeric material, poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), and non-ionic surfactant, Pluronic® F68. The water-based formulation protocol has been developed and optimized for three different fluorinated BODIPY molecules, changing experimental parameters such as molar ratios of the materials and pH, creating nanometric size NPs with a good colloidal stability. Effects of addition of a perfluorinated liquid phase in the NPs has also been studied, obtaining at the end a platform possessing a fluorescent and two distinct 19F-NMR signals. Characterization of the nanoformulations has been performed by Dynamic Light Scattering (DLS), Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared (ATR FT-IR), 19F Nuclear Magnetic Resonance (19F-NMR), Zeta-potential (ZP), UV-vis absorbance, fluorescence emission and Transmission Electron Microscopy (TEM).

L'uso di nanomateriali e nanotecnologie in medicina ha aumentato l'interesse per la possibilità di prevenire, diagnosticare e curare le malattie nelle prime fasi. Infatti, al giorno d’oggi, l'ottenimento di immagini a livello molecolare attraverso tecniche non radiative consente la visualizzazione e la precisa rilevazione di cellule difettose o processi biologici anormali, senza danneggiare i pazienti con effetti ionizzanti. Inoltre, lo sviluppo di nanovettori che trasportano agenti di contrasto multimodali può aumentare considerevolmente non solo la versatilità, ma anche la qualità dell'immagine coniugando vantaggi di due o più tecniche di imaging. Tra le sonde multimodali sviluppate e in corso di sviluppo, quelle che supportano la risonanza magnetica (RM) del nucleo 19F e l'imaging a fluorescenza in una singola molecola stanno attirando notevole interesse, offrendo la possibilità di localizzare e tracciare le cellule o di amministrare simultaneamente le nanoparticelle (NP) con una buona risoluzione e sensibilità dell'immagine. Al fine di utilizzare queste molecole, di fondamentale importanza è lo sviluppo di nanoformulazioni biocompatibili e biodegradabili affinché si disperdano in soluzioni acquose. In questo scenario, questo lavoro di ricerca mira allo sviluppo di una formulazione di una NP polimerica contenente innovativi coloranti fluorescenti di boro-dipirrometene (BODIPY) funzionalizzati al fluoro utilizzando un noto materiale polimerico biodegradabile e biocompatibile, l’acido poli(lattico-co-glicolico) (PLGA), e un tensioattivo non ionico, Pluronic® F68. Il protocollo di formulazione in acqua è stato sviluppato e ottimizzato per tre diverse molecole BODIPY fluorurate, modificando parametri sperimentali come ad esempio rapporti molari dei materiali e pH, creando particelle di dimensioni nanometriche con una buona stabilità colloidale. Inoltre, sono stati studiati gli effetti dovuti all'aggiunta di una fase liquida perfluorurata nelle NP, ottenendo alla fine una piattaforma che possiede un segnale fluorescente e due segnali 19F-NMR distinti. La caratterizzazione delle nanoformulazioni è stata eseguita tramite diffusione dinamica della luce (DLS), riflettanza totale attenuata in trasformata di Fourier (ATR FT-IR), risonanza magnetica nucleare al 19F (19F-NMR), potenziale zeta (ZP), spettroscopia UV-vis, spettroscopia di fluorescenza e microscopia elettronica a trasmissione (TEM).