Development of a perfluoro-tert-butanol functionalized glycol-split heparin derivate for heparanase inhibition and 19F-MRI in vivo tracking

Traditional oncology has shifted from targeting tumor cells alone to addressing the extracellular matrix (ECM). Central to this is heparanase, an enzyme that degrades heparan sulfate (HS) to drive metastasis and angiogenesis. Several HS mimetics have advanced to clinical evaluation as heparanase inhibitors, highlighting the translational potential of this strategy. In this context, the present work focused on the development of a glycol-split low molecular weight heparin (LMWgs) derivative, obtained from heparin, the natural HS mimic and inhibitor of heparanase. By depolymerizing and applying glycol-splitting on heparin, the pharmacokinetics and heparanase inhibition are improved, enhancing its oncological profile. A robust, reproducible synthetic protocol was established, with structural characterization confirming the target molecular weight and chemical features. To improve bioavailability and integrate 19F Magnetic Resonance Imaging (19F-MRI) tracking capabilities, the incorporation of branched fluorinated (perfluoro-tert-butanol) moieties was explored. Previous studies performed by the Ronzoni Institute and SBN lab demonstrated the feasibility and low cytotoxicity of the conjugated systems. The modified fluorinated building block and the heparin precursor were successfully synthesized, providing the necessary components for conjugation. However, the preparation of the reactive intermediates revealed a significant limitation of the established method, namely its low synthetic yield. To overcome this, an alternative functionalization strategy was developed, significantly improving efficiency and reproducibility. Although further optimization of solvent compatibility is required to bridge the hydrophilic heparin backbone with hydrophobic fluorinated components, this work established a versatile platform for multifunctional anti-cancer agents. These results contribute to the design of modular heparin derivatives that integrate heparanase inhibition with real-time imaging capabilities.

L’oncologia tradizionale si è evoluta dal bersagliare esclusivamente le cellule tumorali a considerare anche la matrice extracellulare (ECM). In questo contesto, un ruolo centrale è svolto dall’eparanasi, un enzima che degrada l’eparan solfato (HS) promuovendo metastasi e angiogenesi. Diversi mimetici dell’HS sono giunti alla valutazione clinica come inibitori dell’eparanasi, evidenziando il potenziale di questa strategia. In questo scenario, il lavoro si è concentrato sullo sviluppo di un derivato di eparina a basso peso molecolare glycol-split (LMWgs), ottenuto a partire dall’eparina, mimetico naturale dell’HS e inibitore dell’eparanasi. Attraverso la depolimerizzazione e la modifica di glycol-splitting sull’eparina, si ottengono miglioramenti della farmacocinetica e dell’attività inibitoria verso l’eparanasi, potenziandone il profilo oncologico. È stato messo a punto un protocollo sintetico robusto, e la caratterizzazione strutturale ha confermato il peso molecolare e le caratteristiche chimiche attese. Per migliorare la biodisponibilità e integrare capacità di tracciamento tramite Risonanza Magnetica al 19F (19F-MRI), è stata esplorata l’incorporazione di unità fluorurate ramificate (perfluoro-tert-butanolo). Studi precedenti condotti dall’Istituto Ronzoni e dal laboratorio SBN avevano già dimostrato la fattibilità e la bassa citotossicità dei sistemi coniugati. I precursori necessari per la coniugazione sono stati sintetizzati con successo. Tuttavia, la loro preparazione ha evidenziato una limitazione del metodo consolidato, ovvero la bassa resa sintetica. Per superare tale criticità, è stata sviluppata una strategia alternativa di coniugazione, che ha migliorato significativamente efficienza e riproducibilità. Sebbene sia ancora necessaria un’ottimizzazione della compatibilità dei solventi per coniugare l’idrofilicità dell’eparina con le componenti fluorurate idrofobiche, questo lavoro ha posto le basi per una piattaforma versatile destinata allo sviluppo di agenti antitumorali multifunzionali. I risultati ottenuti contribuiscono alla progettazione di derivati dell’eparina capaci di integrare l’inibizione dell’eparanasi con la tracciabilità in tempo reale.