Polymer-based thermosensitive liposomes for targeted drug delivery to kidney glomeruli

This Master thesis work is focused on the design, synthesis and characterization of new formulations of thermosensitive liposomes as targeted delivery systems to the kidney glomeruli. Kidneys are vital organs and play a crucial role in blood purification and toxins elimination. Alterations or dysfunction in renal capacity have detrimental effects on patients, limiting their quality of life and eventually leading to dialysis and kidney transplant. Glomerular diseases are cause of end-stage chronic kidney disease (CKD) which are commonly treated with immunomodulators such as glucocorticoids, calcineurin inhibitors and cytotoxic drugs which demonstrate some efficacy but considerable side effects. Brain derived neurotrophic factor (BDNF) has been discovered to have beneficial effects on the damaged podocytes, glomerular cells which are primarily or secondarily involved in all glomerular renal diseases. Unfortunately, this protein has a very low half-life and once injected in the blood stream it quickly degrades thus limiting its therapeutic effect. Hence, we aimed at synthesizing a nanocarrier (NC) which is capable of encapsulating and protecting BDNF, as well as targeting the kidney glomeruli in order to increase both the retention time and the stability of the protein. Liposomes are very effective, biocompatible and safe NCs and represent an established technology with relevant clinical acceptance. Following previous works, BDNF-loaded thermosensitive liposomes were synthesized and their therapeutic effects were investigated with in vivo tests on mice. Afterwards, we investigated the effects brought by the introduction of a custom-made synthetic heat-sensitive copolymer on the stability and release properties of two types of lipid vesicles, thermosensitive (TSL) and non-thermosensitive (NTSL) liposomes. Due to the high cost of BDNF, these experiments were carried out using a commercial fluorescent probe, Carboxyfluorescein (CF), as a model molecule. Polymer-based thermosensitive liposomes have the advantage of loading therapeutic proteins, such as BDNF, at relative low temperatures, thus minimizing protein denaturation during manufacturing processes. Moreover, they may be explored for a temperature-induced release of their payload in vivo. Therefore, this kidney-targeted therapy may represent a powerful new strategy for an effective treatment of glomerular diseases.

Il lavoro di questa tesi è concentrato sulla sintesi e caratterizzazione di nuove formulazioni di liposomi termosensibili per il rilascio di farmaci ai glomeruli renali. I reni sono organi vitali e svolgono un ruolo cruciale nella purificazione del sangue e nell'eliminazione delle tossine. Alterazioni o disfunzioni della capacità renale hanno effetti dannosi sui pazienti, limitandone la qualità di vita e, portando, nel tempo, alla dialisi e al trapianto di rene. Le malattie glomerulari sono malattie renali croniche e sono comunemente trattate con immunomodulatori come glucocorticoidi, inibitori della calcineurina e farmaci citotossici che dimostrano una certa efficacia, ma notevoli effetti collaterali. E’ stato scoperto che il fattore neurotrofico cerebrale (BDNF) ha effetti benefici sui podociti danneggiati, che sono le cellule glomerulari principalmente o secondariamente coinvolte in tutte le malattie glomerulari renali. Questa proteina terapeutica ha però un'emivita molto bassa e, una volta iniettata nel sangue, si degrada rapidamente limitandone l'effetto terapeutico. Per questo motivo, l’obiettivo è stato quello di sintetizzare un nanocarrier in grado di incapsulare e proteggere il BDNF e di mirare attivamente i glomeruli renali aumentando in questo modo sia il tempo di ritenzione nel corpo sia la stabilità della proteina. I liposomi sono carriers molto efficaci, biocompatibili e sicuri, e rappresentano una tecnologia consolidata con rilevante accettazione clinica. Basandosi su lavori precedenti, sono stati sintetizzati dei liposomi termosensibili caricati di BDNF e i loro effetti terapeutici sono stati studiati con test in vivo sui topi. In seguito, sono stati analizzati gli effetti apportati dall’introduzione di un copolimero sintetico termosensibile sulle proprietà di stabilità e rilascio di due tipi di vescicole lipidiche, liposomi termosensibili (TSL) e liposomi non termosensibili (NTSL). A causa dell’elevato costo del BDNF, questi esperimenti sono stati effettuati utilizzando una sonda fluorescente commerciale, la Carbossifluoresceina (CF), come molecola modello. I liposomi termosensibili a base di polimero hanno il vantaggio di riuscire ad incapsulare proteine terapeutiche a temperature relativamente basse, minimizzando quindi la denaturazione delle stesse durante il processo di preparazione. Inoltre, questi carriers potrebbero essere usati per il rilascio controllato di farmaci in vivo a seguito di un aumento locale di temperatura, rendendo quindi la terapia mirata ai reni una nuova promettente strategia per un efficace trattamento delle malattie glomerulari.