Development of nanoparticle-PEG hybrid chip for protein corona studies in nanotoxicology field

Nanotechnology, i.e. nanomedicine, is a very promising field that has the potential, among the others, to improve human health and to defeat the remaining intractable disease classes by using advanced drug delivery systems, new therapies, and in vivo imaging. A parallel urgent need of investigation of the toxicity of those new engineered nanomaterials is needed to prevent unexpected effects. The core point of nanotoxicity is intrinsically related to the nature of the bio-interface that is formed around the nanomaterial, i.e. nanoparticle, the so called “protein-corona”. The “protein-corona” is the location where the cellular recognition process occurs. The main challenge is to design a system that allows the monitoring of proteins adsorpted layer and of proteins final conformation onto the surface. A recent promising approach to improve the detection of biomolecular recognition of the “protein-corona” concerns the creation of surfaces with chemical nano-contrasts (for instance adhesives/non adhesives) to prevent non specific adsorption on the surface and to monitor the phenomenon formation in real time. Among all techniques available, Surface Plasmon Resonance and Quartz Crystal Microbalance are a label-free optical and piezoelectric techniques respectively, that allow quantitative analysis in real time and provide considerable detection performances. In this thesis, we describe the fabrication, by colloidal lithography, of nanoarrayed of gold nanoparticles on non adhesive surfaces that induces selective protein adsorption on the nanoparticles surfaces. Moreover it is shown that proteins adorption process is different for different proteins type. These nanoarrays where applied to SPR and QCM detections of several protein adsorption demonstrating that nano-patterned surfaces, with optimal geometry, improve significantly the SPR detection sensitivity.

La nanotecnologia, e.g. nanomedicina, è un settore molto promettente che ha il potenziale, tra gli altri, di migliorare la salute umana e di sconfiggere le rimanenti classi di malattie intrattabili utilizzando sistemi avanzati di somministrazione dei farmaci, nuove terapie, e in vivo imaging. Un bisogno urgente di indagine parallela della tossicità di questi nuovi nanomateriali ingegnerizzati è necessaria per evitare effetti inaspettati. Il punto centrale della nanotoxicità è legato alla natura della bio-interfaccia che si forma intorno alla superficie del nanomateriale, e.g. nanoparticelle, la cosiddetta "protein-corona". La "protein-corona"è il luogo in cui si verifica il processo di riconoscimento cellulare. La sfida principale è quella di progettare un sistema che consenta il monitoraggio dello strato di proteine adsorbito e della conformazione finale delle proteine sulla superficie. Un recente approccio promettente di migliorare l'individuazione e il riconoscimento biomolecolare della "protein-corona" riguarda la realizzazione di superfici con nano- contrasti di natura chimica (per esempio adesivi/non adesivi) per prevenire l'adsorbimento non specifico sulla superficie e per monitorare la formazione del fenomeno della “protein-corona” in tempo reale. Tra tutte le tecniche disponibili, la Risonanza Plasmonica di Superficie (SPR) e la Microbilancia a Cristalli di Quarzo (QCM), sono delle tecniche label-free ottico e piezoelettrico, rispettivamente, che consentono l'analisi quantitativa in tempo reale e forniscono notevoli prestazioni di rilevamento. In questa tesi, si descrive la fabbricazione, tramite litografia colloidale, di nanoparticlelle di oro su superfici non adesive che inducono adorbimento selettivo di proteine sulla superficie delle nanoparticelle. Inoltre è dimostrato che il processo di adsorbimento delle proteine è diverso a seconda delle proteine. Questi nanoarrays sono stati applicati a rilevamenti SPR e QCM di adsorbimento di proteine, dimostrando così che le nano-superfici, modellate con una geometria ottimale, migliorano in modo significativo la sensibilità di rilevazione SPR.