Microglia-targeted nanovectors for tracking and shaping neuroinflammation in Amyotrophic Lateral Sclerosis

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease with diagnostics and treatments that are ineffective at stopping the progression. This thesis examines new ways of both diagnosing and treating ALS. In the second chapter a study of method to directly formulate different drugs at the point of care using only a syringe and starting from pre-formed NPs has been developed. Highly tunable zwitterionic NPs have been synthesized via the combination of ring opening polymerization (ROP) and reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) emulsion polymerization and, then, used to load paclitaxel, doxorubicin, or ibuprofen with high efficiency. This drugs, used as proof-of-concept on the suitability of the zwitterionic biodegradable nanoparticles for loading hydrophobic drugs with different charge. A controlled release of such therapeutics has been achieved by tuning the characteristics of the NPs, in particular the addition of charged groups. In the third chapter we explored a synthetic pathway for the synthesis of a TSPO-ligand with a molecular structure similar to PBR28 and functionalized with an alkyne group, enabling the fast conjugation of the ligand through azide-alkyne cycloaddition, also known as click chemistry. As a proof of concept, we used this TSPO-ligand to decorate zwitterionic biodegradable polymer nanoparticles (NPs), suitable for controlled drug delivery. These NPs were synthesized via reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization and functionalized with azide-groups for the subsequent conjugation with the TSPO-ligand In the fourth chapter we studied the possibility of modifying diapocynin in order to synthesize a prodrug that could be chemically incorporated into degradable zwitterionic polymeric NPs. This would prevent the premature release and diapocynin elimination through the filter organs, ensuring at the same time a prolonged release and hence reducing the number of required administrations. In the fifth chapter it is shown, in order to allow multimodal in vivo traceability, how to modify the platform formed by zwitterionic np for non-invasive imaging approaches such as MRI or PET.. To achieve traceability by MRI, we have exploited the superparamagnetic iron oxide nanoparticles; while for in vivo PET imaging, we have functionalized their surface with deferoxamine (DFO), a chelator that allows to coordinate radioactive ions, such as 89Zr. Lastly, in the sixth chapter we explored the possibility of removing water without inducing aggregation from two types of biodegradable NPs. Both of them are obtained from the self-assembly of amphiphilic block copolymers synthesized via RAFT polymerization and sharing the same biodegradable hydrophobic block.

La sclerosi laterale amiotrofica (SLA) è una malattia neurodegenerativa con la diagnostica e trattamenti che sono inefficaci per arrestare la progressione. Questa tesi esamina nuovi modi di diagnosticare e trattare la SLA. Nel secondo capitolo è stato sviluppato un nuovo metodo per formulare direttamente diversi farmaci a letto del paziente utilizzando solo una siringa e partendo da NP preformate. Le NP zwitterioniche sono state sintetizzate attraverso la combinazione della ring open polymerization (ROP) e la reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) e, quindi, utilizzate per caricare paclitaxel, doxorubicina o ibuprofene con un’alta efficienza. Questi farmaci, utilizzati come prova di concetto sull'idoneità delle nanoparticelle biodegradabili zwitterioniche per il caricamento di farmaci idrofobici con diversa carica. Un rilascio controllato di tali farmaci è stato ottenuto modificando le caratteristiche delle NPs, in particolare l'aggiunta di gruppi carichi. Nel terzo capitolo abbiamo esplorato un percorso sintetico per la sintesi di un TSPO-ligando con una struttura molecolare simile al PBR28 e funzionalizzato con un gruppo alchinico, che permette la coniugazione veloce del ligando attraverso la ciclizzazione dell'azide-alchina, nota anche come click chemistry. Come proof of concept, abbiamo usato questo TSPO-ligando per decorare le nanoparticelle polimeriche biodegradabili zwitterioniche (NPs), adatte per la somministrazione controllata di farmaci. Queste NPs sono state sintetizzate tramite RAFT polymerization e funzionalizzate con gruppi azidi per la successiva coniugazione con il TSPO-ligand Nel quarto capitolo abbiamo studiato la possibilità di modificare la diapocinina per sintetizzare un farmaco che potrebbe essere chimicamente incorporato in NPs polimeriche zwitterioniche degradabili. In questo modo si eviterebbe il rilascio prematuro e l'eliminazione della diapocinina attraverso gli organi filtranti, garantendo allo stesso tempo un rilascio prolungato e quindi riducendo il numero di somministrazioni necessarie. Nel quinto capitolo viene mostrato, al fine di consentire la tracciabilità multimodale in vivo, come modificare la piattaforma formata da NPs zwitterioniche per approcci di imaging non invasivi come risonanza magnetica o PET. Per ottenere la tracciabilità mediante risonanza magnetica, abbiamo sfruttato le nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetico; mentre per l'imaging PET in vivo, abbiamo funzionalizzato la loro superficie con deferoxamina (DFO), un chelante che permette di coordinare gli ioni radioattivi, come 89Zr. Infine, nel sesto capitolo abbiamo esplorato la possibilità di rimuovere l'acqua senza indurre l'aggregazione da due tipi di NP biodegradabili. Entrambi sono ottenuti dall'auto-assemblaggio di copolimeri a blocco anfifilico sintetizzati tramite polimerizzazione RAFT e condividendo lo stesso blocco idrofobico biodegradabile.