Self-assembling nanoparticles for punicalagin delivery as potential nanocarriers for neurodegenerative scenario

In the last years stimuli-responsive drug delivery systems have been increasingly studied in the field of biomedicine. In particular, redox-responsive polymers have been utilized in studies for tumoral application due to the high intracellular level of glutathione (GSH) in microtumoral environment (MTE), reducing the disulfide bonds (S-S) contained in the polymeric chains. This feature makes these polymers suitable for nanoparticles (NPs) fabrication, with a highly specific drug-release to the targeted tumour cells. This study focuses on the synthesis of a particular category of redox-responsive polymers, poly(beta-amino esters) (PBAEs), to develop physically self-assembled NPs to encapsulate negatively charged drug molecules (punicalagin) specific for newly developed glioblastoma treatments and presenting anti-inflammatory properties. The redox responsive behaviour of PBAEs developed in this work exploits the presence of higher concentration of glutathione in the glioblastoma microenvironment: it acts as a reducing agent due to its thiol (-SH) group, breaking the disulfide bond contained in PBAEs chains, in order to release the encapsulated drug. In particular, the polymer forming these nanoparticles was synthesized starting from a redox-responsive molecule presenting disulfide bonds, modified with acrylate moieties. The addition of 5-amino-1-pentanol through Michael addition forms the PBAE base for the NPs. The synthetic path proceeded with the PEGylation of the previously synthesized PBAE at its ends, exploiting PEG-diamine modification to link the two polymeric chains. This procedure is useful to form a block-copolymer with positive charges in aqueous environment, able to physically self-assemble around the negatively charged drug. The obtained nanoparticles are redox sensitive, presenting a hydrodynamic diameter below 200 nm and a ζ -potential around zero, necessary to passthrough the brain blood barrier (BBB), being less prone to opsonization. The study focused firstly on designing the best reaction pathway to synthesise PBAEs exploited for the final NP formation. Then, after their characterization, drug release tests and biocompatibility assay were performed, confirming the redox-responsiveness in GSH-rich environments and biocompatibility of the material.

Negli ultimi anni, i sistemi di somministrazione di farmaci sensibili agli stimoli sono stati oggetto di studi sempre più approfonditi nel campo della biomedicina. In particolare, i polimeri redox-responsivi sono stati utilizzati in studi per applicazioni tumorali grazie all'elevato livello intracellulare di glutatione (GSH) nell'ambiente microtumorale (MTE), che riduce i legami disolfuro (S-S) contenuti nelle catene polimeriche. Questa caratteristica rende questi polimeri adatti alla fabbricazione di nanoparticelle (NP), con un rilascio altamente specifico del farmaco alle cellule tumorali bersaglio. Questo studio si concentra sulla sintesi di una particolare categoria di polimeri redox-responsivi, i poli(beta-amminoesteri) (PBAE), per sviluppare NP autoassemblate fisicamente per incapsulare molecole di farmaci cariche negativamente (punicalagina) specifiche per i nuovi trattamenti di glioblastoma e che presentano proprietà antinfiammatorie. Il comportamento redox-responsivo dei PBAE sviluppati in questo lavoro sfrutta la presenza di una maggiore concentrazione di glutatione nel microambiente del glioblastoma: esso agisce come agente riducente grazie al suo gruppo tiolo (-SH), rompendo il legame disolfuro contenuto nelle catene dei PBAE, al fine di rilasciare il farmaco incapsulato. In particolare, il polimero che forma queste nanoparticelle è stato sintetizzato a partire da una molecola redox-responsiva che presenta legami disolfuro, modificato con gruppi acrilati. L'aggiunta di 5-ammino-1-pentanolo attraverso l'addizione di Michael forma la base PBAE per le NP. Il percorso sintetico è proseguito con la PEGilazione del PBAE precedentemente sintetizzato alle sue estremità, sfruttando il PEG-diammina per collegare le due catene polimeriche. Questa procedura è utile per formare un copolimero a blocchi con cariche positive in ambiente acquoso, in grado di autoassemblarsi fisicamente attorno al farmaco carico negativamente. Le nanoparticelle ottenute sono sensibili alle redox, presentano un diametro idrodinamico inferiore a 200 nm e un potenziale ζ intorno allo zero, necessario per attraversare la barriera ematoencefalica (BBB), essendo meno soggette all'opsonizzazione. Lo studio si è concentrato in primo luogo sulla progettazione del miglior set di reazioni per sintetizzare i PBAE sfruttati per la formazione finale delle NP. Successivamente, dopo la loro caratterizzazione, sono stati eseguiti test di rilascio del farmaco e test di biocompatibilità, confermando la reattività redox in ambienti ricchi di GSH e la biocompatibilità del materiale.