Polymeric nanocarriers for signal transduction and targeted drug delivery therapies

In this thesis work, the versatility of polyesters in multiple nanomedicine fields is exploited to develop targeted delivery systems based on different engineered polymeric nanocarriers. Traditional and unimolecular nanoparticles (NPs) have been obtained from linear and hyperbranched polymers respectively, synthesised through a combination of controlled/living polymerisations (Ring Opening Polymerisation and Atom Transfer Radical Polymerisation). Linear amphiphilic block copolymers of hydrophobic poly(ε caprolactone) (PCL) or poly(lactic co glycolic) acid (PLGA), and hydrophilic poly(ethylene glycol) (PEG), were synthesised and functionalised with specific peptides, depending on the biomedical application. PLGA PEG based nanoparticles conjugated with BDNF-mimicking peptides were designed to develop new nanotherapeutics for kidney chronic disease. In vitro tests highlighted their therapeutic effect on podocytes cells, obtained through a signal transduction induced by the BDNF mimicking peptides, which can stimulate podocytes repair without drug administration. Linear PCL PEG copolymers were used to produce conventional polymeric nanoparticles for glioblastoma (GBM) treatment, studying the effect of the encapsulation and release of the chemotherapeutic drug Doxorubicin (DOX). The suitability of this polymer as drug delivery system was assessed through in vitro tests on GBM stem cells, in comparison with ultrasmall unimolecular nanocarriers obtained from complex 4 arm amphiphilic methacrylate copolymer of PCL and PEG, previously synthesised in this research group. The targeted delivery feature was achieved by conjugation of ApoE derived peptides (mApoE) able to interact with GBM cell receptors. As further development, well-defined brush-like copolymers of PCL and poly(glycidyl methacrylate) (PGMA) were synthesised, aiming to design complex macromolecular architectures which may provide advanced nanocarrier characteristics, including enhanced stability, tailored functionality, and tunable morphology.

In questo lavoro di tesi, la versatilità di poliesteri biodegradabili in molteplici campi della nanomedicina viene sfruttata per sviluppare sistemi di rilascio mirato basati su diversi nanocarrier ingegnerizzati. Nanoparticelle (NP) tradizionali e unimolecolari sono state sviluppate rispettivamente da polimeri lineari e iper ramificati, sintetizzati attraverso una combinazione di polimerizzazioni controllate/viventi (Ring Opening Polymerisation e Atom Transfer Radical Polymerisation). Diversi copolimeri a blocchi sono stati sintetizzati, tra cui copolimeri anfifilici lineari di poli(ε caprolattone) (PCL) o acido poli(lattico co coglicolico) (PLGA) e poli(glicole etilenico) (PEG), funzionalizzati con peptidi specifici, a seconda dell'applicazione biomedica. Le nanoparticelle a base di PLGA PEG coniugate con peptidi che mimano la sequenza di BDNF sono state progettate per sviluppare nuove strutture nanoterapeutiche per malattie croniche renali. Test in vitro hanno evidenziato il loro effetto terapeutico sulle cellule dei podociti, ottenuto attraverso una trasduzione di segnale indotta dai peptidi selezionati, stimolando la riparazione dei podociti senza somministrazione di farmaci. I copolimeri PCL PEG lineari sono stati utilizzati per produrre nanoparticelle polimeriche convenzionali per il trattamento del glioblastoma (GBM), studiando l'effetto dell'incapsulamento e del rilascio del farmaco chemioterapico Doxorubicina (DOX). L'idoneità di questi polimeri come sistema di somministrazione di farmaci è stata valutata attraverso test in vitro su cellule staminali di GBM, confrontandole con nanocarrier unimolecolari ottenuti da un copolimero metacrilato anfifilico a 4 bracci di PCL e PEG, precedentemente sintetizzato in questo gruppo di ricerca. La funzione di rilascio selettivo è stata ottenuta mediante coniugazione di peptidi derivati da ApoE (mApoE) in grado di interagire con i recettori cellulari presenti nelle cellule di GBM. Come ulteriore sviluppo, sono stati sintetizzati copolimeri a struttura complessa di PCL e poli(glicidil metacrilato) (PGMA), con l'obiettivo di progettare architetture macromolecolari ramificate che possano fornire caratteristiche avanzate a nanocarrier polimerici, tra cui migliore stabilità, pieno controllo su funzionalità e morfologia.