Amyloidogenic peptide nanoparticles as drug carriers

While medicine has registered remarkable advancements in the last century, the limited efficacy of some established drugs is still a current issue. A low solubility in aqueous media, obstruction by mucosal barriers, and fast clearance from circulation are just few of the main open challenges in achieving the desired pharmacokinetic and pharmacodynamics. A popular option to address these issues is the use of a carrier to deliver therapeutic agents. In particular, research has been focusing on self-assembled nanocarriers, whose tunability, size and programmable degradability constitute promising advantages. Within the plethora of available building blocks for this purpose, peptides represent an interesting solution, owing to their versatility, modularity, relatively cheap and easy synthesis, and biocompatibility. In this context, the aim of this thesis was to develop a peptide-based nanocarrier through a supramolecular approach. An amyloidogenic sequence, KLVFF(I), was chosen for the study for its simple synthesis and remarkable self-assembling tendency, leading to the formation of nanovescicles of 100 nm able to encapsulate both hydrophilic and hydrophobic molecules. The first stage of the research was dedicated to the formulation of nanoparticles (NPs) in diverse media and the optimization of their stability. When formulated in water, the NPs were found to be hollow vescicles stable for up to two months at a concentration of 5 mM. In saline buffers stability was reduced, leading to aggregation. Conversely, the addition of fetal bovine serum led to the formation of a stabilizing protein corona, favouring their stabilization. Successively, the ability to retain and release hydrophobic and hydrophilic fluorescent dyes was tested to assess the potential use of KLVFF(I) NPs as drug carriers. It was proven that both dyes could be retained by the system through surface adsorption for hydrophilic molecules and encapsulation for hydrophobic ones, suggesting the possibility of dual drug binding modes. Release tests proved that the carriers were effective in controlling the release of the molecules in time and enhancing the delivery of hydrophobic ones. Finally, a preliminary proteolysis resistance assessment was performed to verify whether the carriers could have a sufficient circulating half-life for potential applications in vivo. It revealed that degradation of the peptide occurred after 24 hours. This does not prevent therapeutic applications, as the NPS could be used for drugs with a fast delivery requirement, pending further investigation. Overall, the achieved results indicated that KLVFF(I) assemblies can constitute promising nanocarriers for dual drug delivery. To validate their potential applicability in vitro and in vivo, future research focusing on the possibility to transport molecules with different hydrophilic-lipophilic balance contemporarily will be needed.

Sebbene la medicina abbia registrato notevoli progressi nell'ultimo secolo, l'efficacia limitata di alcuni farmaci consolidati è ancora un problema attuale. La bassa solubilità in mezzi acquosi, l'ostruzione da parte delle barriere mucosali e la rapida eliminazione dalla circolazione sono solo alcune delle principali sfide aperte per ottenere la farmacocinetica e la farmacodinamica desiderate. Un'opzione apprezzata per affrontare questi problemi è l'uso di un vettore per veicolare gli agenti terapeutici. In particolare, la ricerca si è concentrata sui nanovettori autoassemblati, la cui regolabilità, dimensione e degradabilità controllabile costituiscono vantaggi promettenti. Tra la moltitudine di elementi costitutivi disponibili a questo scopo, i peptidi rappresentano una soluzione interessante, grazie alla loro versatilità, modularità, sintesi relativamente economica e facile e biocompatibilità. In questo contesto, lo scopo di questa tesi è stato quello di sviluppare un nanocarrier a base di peptidi attraverso un approccio supramolecolare. Una sequenza amiloidogenica, KLVFF(I), è stata scelta per lo studio per la sua semplicità di sintesi e la notevole tendenza all'autoassemblaggio, che porta alla formazione di nanovescicole di 100 nm in grado di incapsulare molecole sia idrofiliche che idrofobiche. La prima fase della ricerca è stata dedicata alla formulazione delle nanoparticelle (NPs) in diversi mezzi e all'ottimizzazione della loro stabilità. Quando sono state formulate in acqua, le NPs sono risultate essere vescicole cave stabili fino a due mesi a una concentrazione di 5 mM. Quando sono state formulate in tamponi salini, la stabilità si è ridotta, portando all'aggregazione. Al contrario, l'aggiunta di siero fetale bovino ha portato alla formazione di una corona proteica che ha favorito la loro stabilizzazione. Successivamente, è stata testata la capacità di trattenere e rilasciare molecole fluorescenti idrofobiche e idrofiliche per valutare il potenziale uso delle nanovescicole KLVFF(I) come vettori di farmaci. È stato dimostrato che entrambe le molecole sono trattenute dal sistema, attraverso l'adsorbimento superficiale per quelle idrofiliche e l'incapsulamento per quelle idrofobe, suggerendo la possibilità di una doppia modalità di legame con il farmaco. I test di rilascio hanno dimostrato che le vescicole erano efficaci nel controllare il rilascio delle molecole nel tempo e nel migliorare la veicolazione di quelle idrofobiche. Infine, è stata eseguita una valutazione preliminare della resistenza alla proteolisi per verificare se i carrier potessero avere un'emivita plasmatica sufficiente per potenziali applicazioni in vivo. Lo studio ha rivelato che la degradazione del peptide avviene dopo 24 ore. Ciò non impedisce le applicazioni terapeutiche, in quanto le NPS potrebbero essere utilizzate per farmaci con un requisito di somministrazione rapida, con la necessità di ulteriori indagini. Nel complesso, i risultati ottenuti indicano che le strutture di KLVFF(I) possano costituire promettenti nanocarrier per il rilascio duplice di farmaci. Per convalidare la loro potenziale applicabilità in vitro e in vivo, saranno necessarie ricerche future incentrate sulla possibilità di trasportare contemporaneamente molecole con un diverso equilibrio idrofilo-lipofilo.