Michael addition crosslinking of low generation PAMAM with fluorinated GSH-responsive diacrylate for biomedical application

The thesis focuses on the synthesis and characterization of redox-responsive fluorinated cationic polymers designed for advanced biomedical applications, specifically targeting gene delivery and fluorine magnetic resonance imaging (19F MRI). In the pursuit of efficient transfection across biological barriers, the utilization of non viral polymeric vectors becomes crucial. The primary objective of this research is to enhance the investigation and detection of tumors, utilizing redox- responsive systems that leverage dual fluorinated elements as imaging signals for discriminating between healthy and nonhealthy tissue. The initial phase of the study centred on the synthesis of a diacrylate containing two trifluoromethyl groups. This design aimed to improve transfection efficiency and imaging capabilities. Notably, the diacrylate features a central disulfide bond capable of degrading in a reducing environment, suggesting potential cargo release within cancer cells abundant in glutathione (GSH). The second part involved the crosslinking of PAMAM G2 dendrimers through a Michael addition reaction, resulting in fluorinated crosslinked polymers. Characterization of these polymers were performed using 1H-NMR to assess crosslinking ratios and 19F-NMR to confirm the presence of fluorine in the structure. The redox-responsive ability of the systems was thoroughly investigated by simulating the tumor environment though dynamic light scattering (DLS) studies, considering temperature, acidic pH condition, and glutathione concentration at 10 mM. Following the confirmation of effective redox-responsive capacity, in vitro cytotoxicity and release study were conducted using both human primary cell line, Huvec, and tumoral ones, HeLa. These studied aimed to assess the performance of the systems against the first biological barrier encountered, the vascular tissue, and provide insights into their potential for targeted gene delivery and imaging in the context of angiogenesis. This research contributes valuable insights into the development of innovative biomaterials with tailored redox-responsive and fluorinated elements, holding promise for improved cancer diagnosis and treatment modalities.

Questa tesi si concentra sulla sintesi e sulla caratterizzazione di polimeri cationici fluorurati redox-responsive progettati per applicazioni biomediche avanzate, in particolare per il rilascio di geni e la risonanza magnetica al fluoro (19F MRI). Nella ricerca di un’efficiente trasfezione attraverso le barriere biologiche, l’utilizzo di vettori polimerici non virali è di notevole interesse. L’obiettivo primario di questa ricerca è quello di migliorare l'indagine e la rilevazione dei tumori, utilizzando sistemi redox-reattivi che sfruttano elementi fluorurati come segnali di rilevazione per discriminare tra tessuto sano e non sano. La fase iniziale dello studio si è concentrata sulla sintesi di un diacrilato contenente due gruppi trifluoro-metilici. Questo progetto mira a migliorare l'efficienza di trasfezione e le capacità di imaging proprio grazie alla presenza del fluoro. In particolare, il diacrilato presenta un legame disolfuro centrale in grado di degradarsi in un ambiente riducente, suggerendo un potenziale rilascio del carico all'interno di cellule tumorali ricche di glutatione (GSH). La seconda parte prevedeva la reticolazione dei dendrimeri PAMAM G2 attraverso una reazione di addizione di Michael, ottenendo polimeri fluorurati crosslinkati. La caratterizzazione di questi polimeri è stata eseguita utilizzando 1H-NMR per valutare i rapporti di reticolazione e il 19F-NMR per confermare la presenza di fluoro nella struttura. La capacità redox-responsive dei sistemi è stata studiata in modo approfondito simulando l'ambiente tumorale attraverso studi di Dynamic Light Scattering (DLS), considerando temperatura, pH e concentrazione di glutatione. Dopo la conferma dell'effettiva capacità redox-responsive, sono stati condotti studi di citotossicità e rilascio in vitro utilizzando la linea cellulare primaria umana Huvec e quella tumorale HeLa. Lo scopo di questi studi è stato quello di valutare le prestazioni dei sistemi nei confronti della prima barriera biologica incontrata, il tessuto vascolare, e di fornire indicazioni sul loro potenziale per il rilascio mirato di geni e l'imaging nel contesto dell'angiogenesi. Questa ricerca contribuisce allo sviluppo di biomateriali innovativi con elementi redox-responsivi e fluorurati su misura, che promettono di migliorare le modalità di diagnosi e trattamento del cancro.