Design and synthesis of antioxidant-grafted nanoparticles for a fine regulation of inflammatory states of the CNS

Neuroinflammation is strongly related with excessive production of reactive oxygen species (ROS), leading to oxidative stress and progressive neuronal damage in the central nervous system (CNS). In this context, the development of antioxidant-based nanocarriers represents a promising strategy to regulate inflammatory processes and improve drug delivery across the blood-brain barrier (BBB). The present work focuses on the design, synthesis, and physicochemical characterization of chemically crosslinked polymeric nanogels functionalized with antioxidant molecules for potential application in neuroinflammatory diseases. PEG-l-PEI-Cy5 nanogels were synthesized and functionalized with two different antioxidants: the nitroxide radical TEMPO and the phenolic compound hydroxytyrosol. Two different functionalization strategies were investigated, grafting (covalent incorporation within the nanogel network) and coating (surface decoration). The physicochemical properties of the resulting nanogels were evaluated using FT-IR spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), and ζ-potential analysis, demonstrating preservation of the polymeric network and suitable nanoscale dimensions for biological applications. The results showed that grafted nanogels generally exhibited smaller hydrodynamic diameters and lower ζ-potential compared to coated nanogels, indicating a more compact. In contrast, coated nanogels presented larger sizes, consistent with surface localization of the TEMPO molecules. Antioxidant assays (FRAP and ORAC) revealed enhanced antioxidant activity for TEMPO-grafted nanogels, highlighting the influence of functionalization strategy on redox performance. Cytocompatibility studies further confirmed the biocompatible nature of the developed nanogels. Furthermore, hydroxytyrosol-functionalized nanogels and lauric acid-modified nanogels were explored as an alternative antioxidant molecule and to improve lipophilicity, aiming to enhance cellular interaction and potential BBB penetration. Overall, the developed antioxidant nanogels represent promising ROS-scavenging nanocarriers for the modulation of neuroinflammatory processes and future CNS-targeted drug delivery applications.

La neuroinfiammazione è fortemente correlata all’eccessiva produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS), che porta a stress ossidativo e a un progressivo danno neuronale nel sistema nervoso centrale (SNC). In questo contesto, lo sviluppo di nanocarrier a base di antiossidanti rappresenta una strategia promettente per regolare i processi infiammatori e migliorare il rilascio di farmaci attraverso la barriera emato-encefalica (BBB). Il presente lavoro si concentra sulla progettazione, sintesi e caratterizzazione fisico-chimica di nanogel polimerici reticolati chimicamente e funzionalizzati con molecole antiossidanti per una potenziale applicazione nelle malattie neuroinfiammatorie. I nanogel PEG-l-PEI-Cy5 sono stati sintetizzati e funzionalizzati con due diversi antiossidanti: il radicale nitrossido TEMPO e il composto fenolico idrossitirosolo. Sono state investigate due differenti strategie di funzionalizzazione, ovvero il grafting (incorporazione covalente all’interno della rete del nanogel) e il coating (decorazione superficiale). Le proprietà fisico-chimiche dei nanogel ottenuti sono state valutate mediante spettroscopia FT-IR, scattering dinamico della luce (DLS) e analisi del potenziale ζ, dimostrando la preservazione della rete polimerica e dimensioni su scala nanometrica idonee per applicazioni biologiche. I risultati hanno evidenziato che i nanogel grafted presentano generalmente diametri idrodinamici inferiori e un potenziale ζ più basso rispetto ai nanogel coated, indicando una struttura più compatta dovuta al legame covalente delle molecole antiossidanti. Al contrario, i nanogel coated mostrano dimensioni maggiori, coerenti con la localizzazione superficiale delle molecole di TEMPO. I saggi antiossidanti (FRAP e ORAC) hanno rivelato una maggiore attività antiossidante per i nanogel grafted con TEMPO, evidenziando l’influenza della strategia di funzionalizzazione sulle prestazioni redox. Gli studi di citocompatibilità hanno inoltre confermato la natura biocompatibile dei nanogel sviluppati. Inoltre, i nanogel funzionalizzati con idrossitirosolo e quelli modificati con acido laurico sono stati esplorati come sistemi alternativi per l’introduzione di proprietà antiossidanti e per l’aumento della lipofilicità, con l’obiettivo di migliorare l’interazione cellulare e la potenziale penetrazione attraverso la BBB. Complessivamente, i nanogel antiossidanti sviluppati rappresentano promettenti nanocarrier in grado di scavengiare i ROS per la modulazione dei processi neuroinfiammatori e per future applicazioni di drug delivery mirate al sistema nervoso centrale.