Fluorinated biodegradable PEGylated nanoparticles for biomedical applications

The following thesis is focused on the development of fluorinated PEGylated nanoparticles as possible biodegradable nanotracers and as possible precursors for non-viral vectors synthesis in gene therapy. In recent years, the development of polymeric contrast agents has increasingly captured the attention of the scientific community with the aim of achieving a biocompatible and non-cytotoxic imaging system, in order to overcome current contrast agents (such as Gd3+ or Mn2+) used in MRI. Fluorine magnetic resonance imaging (19F-MRI) overcomes the intrinsic limitations of classical MRI by leveraging the low concentration of fluorine in the body, providing high contrast and low N/S ratio. This enables a more precise resolution of acquired image to identify and discriminate healthy tissues from unhealthy compared to conventional MRI. Furthermore, the presence of fluorine could enhance cellular internalization, thanks to its hydrophobic behavior. Moreover, fluorinated gene vectors often demonstrate good transfection efficiency compared to their non-fluorinated counterparts. For these reasons, the development of biodegradable nanoparticles characterized by PEGylated units with a terminal trifluoromethyl group (PEG-CF3) has been chosen. Polyethylene glycol (PEG) functions as a hydrophilic and biocompatible polymer frequently employed for the stabilization of nanoparticles, its application proves effective in efficiently mitigating opsonization, thereby contributing to enhanced biocompatibility. Through the investigation of three different reactions, the PEG-CF3 unit has been utilized for subsequent controlled radical polymerization reactions to develop PEGylated surfactants containing a varying number of PEG-CF3 units. These surfactants were used for the synthesis of nanotracers via polymerization-induced self-assembly (PISA). The developed nanotracers were characterized using 19F nuclear magnetic resonance spectroscopy and nanoscale size investigation techniques.

La seguente tesi è incentrata sullo sviluppo di nanoparticelle polimeriche PEGilate fluorurate come possibili nanotracers biodegradabili e come possibili precursori per la sintesi di vettori non virali nella terapia genica. Negli ultimi anni, lo sviluppo di agenti di contrasto polimerici ha attirato sempre più l'attenzione della comunità scientifica con l'obiettivo di ottenere un sistema di imaging biocompatibile e non citotossico, al fine di superare gli attuali agenti di contrasto (come Gd3+ o Mn2+) utilizzati nella risonanza magnetica (MRI). La risonanza magnetica al fluoro (19F-MRI) supera le limitazioni intrinseche della MRI classica sfruttando la bassa concentrazione di fluoro nel corpo, fornendo un alto contrasto e un basso rapporto segnale-rumore. Ciò consente una risoluzione più precisa dell'immagine acquisita per identificare e discriminare i tessuti sani da quelli non sani rispetto alla MRI convenzionale. Inoltre, la presenza del fluoro sembra potenziare l'internalizzazione cellulare grazie al suo comportamento idrofobico. Inoltre, i vettori genici fluorurati spesso dimostrano un'efficienza di trasfezione più elevata rispetto alle loro controparti non fluorurate. Per questo motivo, si è scelto di sviluppare delle nanoparticelle biodegradabili caratterizzate da unità PEGilate con un gruppo trifluorometile terminale (PEG-CF3). Il polietilenglicole (PEG) in particolare funge da polimero idrofilico e biocompatibile comunemente impiegato per la stabilizzazione delle nanoparticelle; la sua applicazione si dimostra efficace nell’evitare il meccanismo dell'opsonizzazione, contribuendo così a una biocompatibilità potenziata. Attraverso l'indagine di tre diverse reazioni, l'unità PEG-CF3 è stata utilizzata per successive reazioni di polimerizzazione radicale controllata al fine di sviluppare surfattanti PEGilati contenenti un numero variabile di unità PEG-CF3. Questi surfattanti sono stati impiegati per la sintesi di nanotracers via polimerizzazione indotta da self-assembly (PISA). I nanotracers sviluppati sono stati caratterizzati mediante spettroscopia nucleare al fluoro 19 e tecniche di investigazione della dimensione alla nano-scala.