Engineering liposomes for enhanced encapsulation and delivery of therapeutic agents

Nanomedicine possesses a great potential for the development of novel drug delivery systems having increased efficacy and reduced toxic side effects. Amongst various nanoparticle-based drug delivery systems, liposomes have been extensively studied over the course of years and have gained a considerable clinical acceptance. Liposomes are spherical vesicles composed of one or more concentric lipid bilayers surrounding an aqueous core, which are able to encapsulate and release various therapeutic agents. They are biodegradable and non-toxic; moreover, their surface can be modified with some biomolecules to enhance their performance in terms of longer blood circulation time, stimuli responsiveness and active-targeting. They tend to passively accumulate in diseased tissues having leaky vasculature with respect to healthy tissues as a result of enhanced permeation and retention effect. However, despite all these advantages, there are some limitations that need to be solved to improve their therapeutic success. Some of these limitations include their opsonization and rapid clearance by the reticuloendothelial system, premature drug leakage at physiological temperatures in serum due to their inherent instability and their low encapsulation efficiencies. Thermosensitive liposomes, which release their content upon mild hyperthermia, represent a promising tool to increase the therapeutic efficacy of liposomal drug delivery systems. With this strategy, triggered and local drug release can be achieved as a result of the initial passive accumulation of thermosensitive liposomes within tumor cells followed by the release of payload upon the application of mild and local hyperthermia. Furthermore, they can be functionalized with specific ligands for active-targeting purposes. In this project, liposomal systems encapsulating different payloads were prepared by thin film hydration method followed by extrusion. The work has been divided into three parts. In the first part, various thermosensitive liposomal formulations were synthesized either with or without a thermo-responsive copolymer in their structure, in order to analyze their loading and encapsulation efficiencies as well as to enhance their thermo-responsive characteristics. In the second part, actively targeted thermosensitive liposomes encapsulating brain derived neurotrophic factor were prepared to treat podocyte associated glomerular diseases. Lastly, in the third part, actively targeted liposomes loaded with the anti-tumor drug doxorubicin were synthesized to treat glioblastoma multiforme in the brain. The results indicated that liposomal systems prepared in this project should be further optimized in order to become suitable candidates for clinical use.

La nanomedicina è un settore in continua espansione nello sviluppo di nuovi sistemi per rilasciare i farmaci con maggiore efficacia, ridotta tossicità e pochi effetti collaterali. Tra i vari sistemi di somministrazione di farmaci basati su nanoparticelle, i liposomi sono stati ampiamente studiati nel corso degli anni e grazie alla loro biocompatibilità hanno ottenuto una notevole importanza in ambito clinico. I liposomi sono vescicole sferiche composte da uno o più doppi strati lipidici concentrici che circondano un nucleo acquoso, che sono in grado di incapsulare e rilasciare vari agenti terapeutici. Sono biodegradabili e non tossici; inoltre, la loro superficie può essere modificata con alcune biomolecole per migliorarne le prestazioni in termini di aumento del tempo di circolazione sanguigna, reattività agli stimoli e targeting attivo. Tendono ad accumularsi passivamente nei tessuti malati che hanno una vascolarizzazione che perde rispetto ai tessuti sani a causa di un maggiore effetto di permeazione e ritenzione. Tuttavia, nonostante tutti questi benefici, ci sono alcune limitazioni che devono essere affrontate per migliorare il loro successo terapeutico. Alcune di queste limitazioni includono la loro opsonizzazione e la rapida eliminazione da parte del sistema reticoloendoteliale, il rilascio prematuro del farmaco a temperature fisiologiche nel siero a causa della loro instabilità intrinseca e della bassa efficienza di incapsulamento. I liposomi termosensibili, che rilasciano il loro contenuto in caso di lieve ipertermia, rappresentano uno strumento promettente per aumentare l'efficacia terapeutica dei liposomi come sistemi di somministrazione dei farmaci. Con questa strategia, il rilascio del farmaco localmente può essere ottenuto come risultato dell'accumulo passivo iniziale di liposomi termosensibili all'interno delle cellule tumorali, seguito dal rilascio del carico utile grazie alla applicazione di ipertermia lieve e locale. Infine, possono essere funzionalizzati con ligandi specifici in modo da ottenere una selettività per cellule bersaglio. In questo progetto, i sistemi liposomiali in grado di incapsulare diverse molecole sono stati preparati con il metodo di idratazione a film sottile seguito dall'estrusione. Il lavoro è stato diviso in tre parti. Nella prima parte sono state sintetizzate varie formulazioni liposomiali termosensibili con o senza un copolimero termosensibile nella loro struttura, al fine di analizzare le loro efficienze di carico e incapsulamento, nonché per migliorarne le caratteristiche termosensibili. Nella seconda parte, sono stati preparati liposomi termosensibili che incapsulano il fattore neurotrofico cerebrale selettivi per il trattamento delle malattie glomerulari associate ai podociti. Infine, nella terza parte, sono stati sintetizzati liposomi con il farmaco antitumorale doxorubicina per il trattamento mirato e selettivo del glioblastoma multiforme nel cervello. I sistemi liposomiali preparati in questo progetto hanno mostrato promettenti risultati e dopo essere ulteriormente ottimizzati, si candidano per l’uso clinico contro varie patologie.