Development of biodegradable and fluorinated nanoparticles for gene delivery and imaging

This thesis is a deep investigation of the synthesis, characterization, and application of advanced fluorinated nanoparticles with a dual-purpose core-surfactant structure designed for gene delivery and imaging. The goal is to obtain stable non-viral polymeric vectors with efficient transfection and a detectable fluorine signal as potential contrast agents in 19F-MRI. In the first part of the work, the nanoparticle components were synthesized. The core consists of cationic lipophilic polymers, specifically ionizable amino-polyesters, obtained through the combined use of ROP and FRP, with terminal tertiary amines for electrostatic interactions with cargo oligonucleotides and ester bonds enabling controlled hydrolytic degradation. The surfactant component comprises amphiphilic zwitterionic block copolymers synthesized through RAFT polymerization, providing stability, reducing immunogenicity, and ensuring a hydrophobic interaction with the lipophilic core. The hydrophilic (carboxybetaine-methacrylate-based or phosphorylcholine-methacrylate-based), fluorinated and lipophilic building blocks were synthesized successfully, enabling potential applications in diagnostics, and then polymerized, demonstrating controlled polymerization processes and precise tuning of resulting block copolymer compositions. The nanoparticles, both surfactant-based and APE-derived, were then analyzed in terms of size and surface charge. Surfactant-based NPs exhibited stable size profiles, while APE-based NPs demonstrated size reduction capabilities driven by hydrophobic interactions. The suitability of NPs for transfection tests was demonstrated through effective complexation with genetic material, showcasing their potential in gene delivery. The results lay a solid foundation for future in vivo studies, evaluating the safety and effectiveness of these fluorinated nanoparticles in biomedical applications. This work represents a significant advancement in nanomedicine, poised to contribute to improved healthcare practices through innovative diagnostic and therapeutic strategies.

Il seguente lavoro di tesi è una profonda investigazione della sintesi, caratterizzazione e applicazione di nanoparticelle fluorurate innovative con una struttura nucleo-surfattante multifunzionale progettata per il gene delivery e l'imaging. L'obiettivo è ottenere vettori polimerici non-virali stabili con efficiente trasfezione e un riconoscibile segnale del fluoro come potenziali agenti di contrasto nella 19F-MRI. Nella prima parte del lavoro, sono state sintetizzate le componenti delle nanoparticelle. Il nucleo è costituito da polimeri lipofili cationici, specificamente amino-poliesteri ionizzabili, ottenuti tramite l'uso combinato di ROP e FRP, con ammine terziarie terminali fondamentali per interazioni elettrostatiche con gli oligonucleotidi del carico e legami esteri che consentono una degradazione idrolitica controllata. Il surfattante comprende copolimeri anfifilici zwitterionici sintetizzati attraverso la polimerizzazione RAFT, fornendo stabilità, riducendo l'immunogenicità ed assicurando un'interazione idrofobica con il nucleo lipofilo. I building block idrofilici (carboxybetaine-methacrylate-based o phosphorylcholine-methacrylate-based), fluorurati e lipofilici sono stati sintetizzati attraverso reazioni efficienti e sono stati poi polimerizzati attraverso processi di polimerizzazione controllata mediante precisa regolazione delle composizioni risultanti. Le nanoparticelle, sia surfactant-based che APE-based, sono state poi analizzate in termini di dimensioni e carica superficiale. Le NP surfactant-based hanno mostrato profili di dimensioni stabili, mentre le NP APE-based hanno mostrato una riduzione di dimensione guidata da interazioni idrofobiche. L'idoneità delle NP per i test di trasfezione è stata dimostrata attraverso una complessazione efficace con il materiale genetico, evidenziando il loro potenziale nel gene delivery. I risultati pongono una solida base per futuri studi in vivo, valutando la sicurezza ed efficacia di queste nanoparticelle fluorurate nelle applicazioni biomediche. Questo lavoro rappresenta un significativo progresso nella nanomedicina, pronto a contribuire al miglioramento delle pratiche sanitarie attraverso strategie diagnostiche e terapeutiche innovative.