Functional macromolecular micelles for the treatment of glioblastoma

Glioblastoma is the most frequent and destructive primary malignant brain tumor in adults. Despite the multidisciplinary approach that includes surgical resection, radiotherapy and chemotherapy, the prognosis remains poor with a median survival of 12-15 months. The recurrence of pathology is frequent and chemotherapy is fundamental as complementary treatment, although its efficacy is limited because of the poor drug bioavailability caused by the blood–brain barrier (BBB). Nanotechnology-based drug delivery is expected to bring hope in this field, using biodegradable nano-sized carriers able to encapsulate the drug and promote local delivery. In this work a library of PEG-PCL amphiphilic copolymers was synthesized to produce unimolecular polymeric micelles as drug delivery systems, loaded with doxorubicin. These nanomaterials were designed to provide stealth character, in order to obtain stable long-circulating nanoparticles (NPs). Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) and Ring Opening Polymerization (ROP) were used to synthesize copolymers with complex architectures, based on poly(ethylene glycol) (PEG) and poly (-caprolactone) (PCL). The synthesized polymers were employed to produce biocompatible nanoparticles through a classic nanoprecipitation method. Two size populations, with hydrodynamic diameters of <20 nm and 120 nm were obtained. The NPs surfaces were functionalized with different peptides to promote active targeting and intracellular uptake. Low Molecular Weight Protamine (LMWP) and Activable Low Molecular Weight Protamine (ALMWP) peptides were firstly conjugated to the produced NPs. These peptides are both cell penetrating peptides (CPPs): compared with LMWP, ALMWP is able to be activated by proteases which are highly expressed in the glioblastoma microenvironment. Finally, Apolipoprotein E (mApoE)-derived peptide was also investigated as ligand. This peptide interacts with a receptor highly present on the brain capillary endothelial cells, and is able to induce an energy-dependent translocation of the conjugated NPs. Preliminary in vitro biological tests were performed at the Humanitas Research Hospital. The NPs suspensions were characterized in vitro on glioblastoma-derived cell lines and on an endothelial cell line to assess their cytotoxicity, cellular uptake and therapeutic effects, in order to select the most promising nanoformulation for the treatment of glioblastoma.

Il glioblastoma è il tumore primario al cervello più maligno e più comune negli adulti. Nonostante l'approccio multidisciplinare, che include la resezione chirurgica, la radioterapia e la chemioterapia, la prognosi rimane scarsa con una sopravvivenza media di 12-15 mesi. La ricorrenza della patologia è frequente e la chemioterapia è fondamentale come trattamento complementare, anche se la sua efficacia è limitata dalla scarsa biodisponibilità farmacologica dovuta alla barriera emato-encefalica. Si prevede che l’utilizzo della nanotecnologia porterà speranza in questo campo, utilizzando vettori nano-dimensionali biodegradabili in grado di incapsulare il farmaco e promuovere la somministrazione locale del chemioterapico. In questa tesi è stata sintetizzata una libreria di copolimeri anfifilici per produrre micelle polimeriche unimolecolari come sistemi di somministrazione di farmaco, in particolare carichi di doxorubicina. Questi nanomateriali sono stati progettati per fornire carattere “stealth” e quindi in grado di ottenere lunghi tempi di circolazione. La Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) e la Ring Opening Polymerization (ROP) sono state utilizzate per sintetizzare copolimeri con architetture complesse, a base di poli(etilene glicole) (PEG) e poli(-caprolactone) (PCL). I polimeri sintetizzati sono stati impiegati per produrre nanoparticelle biocompatibili attraverso il metodo di nanoprecipitazione. Sono state ottenute due popolazioni di particelle, con diametri idrodinamici di <20 nm e 120 nm. Le superfici delle NP sono state funzionalizzate con diversi peptidi per promuovere il targeting attivo e l’uptake intracellulare. In primo luogo, sono stati coniugati alle NP i peptidi Low Molecular Weight Protamine (LMWP) e Activable Low Molecular Weight Protamine (ALMWP). Questi peptidi sono entrambi peptidi penetranti (Cell Penetrating Peptides), con la differenza che il ALMWP, rispetto al LMWP, è in grado di essere attivato da proteasi altamente espresse nel microenvironment del glioblastoma. Infine, è stato studiato come ligando anche il peptide derivato dall'Apolipoproteina E (mApoE). Questo peptide interagisce con un recettore altamente presente sulle cellule endoteliali dei capillari del cervello, ed è in grado di indurre la transcitosi delle NP coniugate. Sono stati eseguiti test biologici preliminari in vitro presso l'Humanitas Research Hospital. Le sospensioni di NP sono state caratterizzate in vitro sia su linee cellulari derivate dal glioblastoma sia su una linea cellulare endoteliale per valutarne la citotossicità, l’uptake cellulare e gli effetti terapeutici, al fine di selezionare la nanoformulazione più promettente per il trattamento del glioblastoma.