Development of multifunctional GSH-responsive crosslinked polymers based on natural aminoglycosides for biomedical applications

This thesis project focuses on the synthesis, development, and characterization of multifunctional redox-responsive polymers based on natural aminoglycosides designed for advanced biomedical applications, specifically targeted gene and drug delivery. The aim of this research is the development of gene and drug delivery vectors with antibacterial properties as an alternative to traditional antitumor therapies. The use of aminoglycosides was chosen to impart antibacterial capabilities to these systems, crucial in the development of controlled-release systems for antitumor drugs, as traditional treatments often fail due to secondary infections induced by drug-related immunosuppression. The initial phase of the research focused on the synthesis of a library of diacrylates characterised by the presence of a central disulfide bridge susceptible to degradation in reducing environments, suggesting potential selective cargo release within tumour cells characterised by high glutathione (GSH) concentration. The inclusion of trifluoromethyl groups in some diacrylates enhances imaging capabilities via 19F-NMR and can improve transfection efficiency through specific interactions with the lipophilic components of cell membranes. The following step involved the crosslinking of aminoglycosides through Michael addition, resulting in multifunctional crosslinked systems with redox-responsive properties. Numerous experiments were conducted, primarily focusing on kanamycin, using various diacrylates, solvents, temperatures, and durations to identify the optimal reaction conditions. Additionally, different molar ratios of kanamycin to the diacrylates were explored. The systems were characterised using 1H-NMR and, for those containing trifluoromethyl groups, 19F-NMR.

Questo progetto di tesi si focalizza su sintesi, sviluppo e caratterizzazione di polimeri multifunzionali redox-responsive a base di aminoglicosidi di origine naturale, progettati per applicazioni biomedicali avanzate, in particolare per il rilascio controllato di farmaci e materiale genetico. L’obiettivo di questa ricerca è lo sviluppo di vettori per gene e drug delivery con proprietà antibatteriche come alternativa alle tradizionali terapie antitumorali. L’utilizzo degli aminoglicosidi è stato dettato dalla possibilità di conferire a questi sistemi capacità antibatterica, fondamentale soprattutto nello sviluppo di sistemi a rilascio controllato di farmaci antitumorali, poiché i trattamenti tradizionali spesso vanno incontro a fallimento a causa delle infezioni secondarie indotte dall'immunosoppressione causata dai farmaci stessi. La fase iniziale della ricerca si è concentrata sulla sintesi di una libreria di diacrilati caratterizzati dalla presenza di un ponte disolfuro centrale, suscettibile alla degradazione in ambiente riducente, suggerendo un potenziale rilascio selettivo del cargo all’interno di cellule tumorali caratterizzate da elevata concentrazione di glutatione (GSH). L'inclusione di gruppi trifluorometilici in alcuni diacrilati permette di migliorare le capacità di imaging tramite 19F-NMR e di potenzialmente incrementare l'efficacia di trasfezione attraverso interazioni specifiche con le componenti lipofile delle membrane cellulari. La fase successiva prevede la reticolazione degli aminoglicosidi mediante addizione di Michael, ottenendo sistemi crosslinkati multifunzionali con proprietà redox-responsive. Sono stati condotti numerosi esperimenti, focalizzandosi principalmente sulla kanamicina, utilizzando diversi diacrilati, solventi, temperature e durate, allo scopo di identificare le condizioni ottimali per la reazione. Sono inoltre stati investigati diversi rapporti molari tra kanamicina e diacrilati. La caratterizzazione dei sistemi è stata eseguita tramite 1H-NMR e, per i sistemi caratterizzati dalla presenza di gruppi trifluorometilici, anche tramite 19F-NMR.