Stimuli-responsive drug delivery systems: preparation, encapsulation-delivery properties and biological activity against cancer

Il cancro è tra le maggiori cause di morte e i numeri di incidenza e mortalità sono in costante aumento. Secondo le ultime stime, nel 2018 verranno riscontrati 18.1 milioni di nuovi casi e 9.8 milioni di vittime in tutto il mondo. Nonostante i recenti passi avanti, la chemioterapia è tuttora spesso inefficacie e presenta delle importanti limitazioni, tra cui una bassa specificità che porta a eventi di tossicità sistemica anche molto gravi. A partire da queste considerazioni, la ricerca è stata indirizzata verso la sintesi di nanosistemi che per le loro proprietà sono in grado di rilasciare i farmaci in concomitanza del sito di interesse. Nello specifico, questo porta ad una riduzione degli effetti sistemici indesiderati e al mantenimento di una concentrazione di farmaco all’interno della finestra terapeutica per periodi prolungati. Recentemente, la sintesi di materiali cosiddetti “smart” ha ricevuto notevole attenzione per la preparazione degli innovativi sistemi di rilascio stimoli responsivi. Questi sono in grado di rispondere a predeterminati stimoli di tipo ambientale, chimico, termico o biologico associati ai tumori, favorendo il rilascio del farmaco esclusivamente in presenza di queste condizioni. Il lavoro di ricerca del dottorando si è focalizzato sulla sintesi e caratterizzazione di sistemi di rilascio stimoli responsivi per il rilascio sito selettivo di farmaci chemioterapici. Durante questi tre anni diverse classi di antitumorali e diversi tipi di sistemi sono stati studiati, allo scopo ottenere una formulazione selettiva e mirata per il trattamento dei tumori. Il primo obbiettivo è stata la sintesi, caratterizzazione e lo studio delle proprietà di incapsulazione e rilascio di due sistemi per daunorubicina, un agente chemioterapico molto usato appartenente alla classe delle antracicline. Il primo sistema presenta una singola shell responsabile per la responsività al pH, mentre il secondo, più complesso, è formato da tre shell sovrapposte ed è in grado di rispondere a variazioni patologiche di pH, temperatura e condizioni redox. Le proprietà di incapsulazione e rilascio di entrambi i sistemi sono state studiate in modo approfondito e, per quanto riguarda il secondo sistema, sono stati presi in considerazione anche la tossicità cellulare e la localizzazione intracellulare della formulazione. Il sistema pH responsivo è stato utilizzato anche per l’incapsulazione e il rilascio del peptide ciclico somatostatina, in un progetto in collaborazione con il CNR di Bologna. Questo peptide presenta un alto potenziale terapeutico ma il suo impiego è fortemente limitato da un bassissimo tempo di emivita e dalla rapida degradazione. Il sistema si è dimostrato capace di rilasciare la somatostatina in maniera pH dipendente, senza interferire con la struttura, e proteggendola quando incapsulata. Inoltre la collaborazione è stata estesa per lo studio del profilo di rilascio della somatostatina da una nanoemulsione tramite LC/MS. La formulazione si è rivelata capace di estendere l’emivita del peptide e di ridurne la velocità di degradazione. Come dottorando del progetto Horizon 2020 ClickGene, parte del lavoro dello studente riguardava lo studio dell’incapsulazione e del rilascio di complessi artificiali di Cu(II) con attività metallonucleasica. Tra questi, Cu-TPMA-Phen è stato studiato in formulazione con il sistema pH responsivo. Dal momento che la struttura di questi complessi di rame è fondamentale per la loro attività, la conformazione di Cu-TPMA-Phen è stata analizzata dopo il di rilascio ed è risultata invariata, come richiesto. L’ultimo obbiettivo è stato la sintesi di un sistema di rilascio innovativo per oligonucleotidi e i loro derivati. Dopo aver studiato le caratteristiche fondamentali di questo tipo di sistemi sono state proposte due differenti strategie di sintesi. Al momento però non è stato ancora possibile ottenere un sistema di rilascio adeguato.

Cancer is still one of the leading cause of death worldwide and incidence and mortality are still growing. According to the last estimates, at the end of 2018 there will be 18.1 million new cases of cancer and 9.6 million cancer deaths. Despite many advancements, conventional chemotherapy is still to some extent ineffective and present some crucial limitations such as poor specificity and selectivity, causing severe adverse non-specific effects on healthy cells. To overcome these problems and target selectively cancer cells, nanoscale drug delivery systems have been implemented and nowadays they represent one of the most promising option to treat cancer. Specifically, nanomedicinal formulations, namely drug-loaded drug delivery systems, allow the release and localization of the therapeutic drug selectively to the site of action, reducing the systemic side effects and maintaining the drug concentration within the effective therapeutic window for a prolonged amount of time. Recently, the synthesis of smart materials has emerged as a superior option for the preparation of stimuli-responsive delivery systems. These are capable of responding to the environmental, chemical, thermal, or biological triggers associated with tumors. The main research topic of the Ph.D. candidate was the synthesis and characterization of new stimuli-sensitive polymeric nanocontainers (NCs) for the targeted release of chemotherapy drugs. During the three years, different classes of drugs and different nanoscale systems were studied, aiming at obtaining selective and tolerable formulations capable of targeting tumoral cells by taking advantage of the stimuli present in these areas. The first goal was the synthesis, characterization and study of drug release profile of two different hollow NCs for the release of daunorubicin, widely-used chemotherapeutic agent belonging to the family of anthracyclines. The first systems consisted of a single shell responsible for the pH-sensitivity, whereas the second system was a three-stimuli-sensitive nanocontainer, more complex and capable of responding to the pathological variations of pH, temperature and redox conditions associated with tumoral tissues and cells. The encapsulation and release properties of both systems were tested, and the three-stimuli sensitive system was also studied in terms of cytotoxicity and intracellular localization. In collaboration with CNR Bologna, the pH-sensitive system was also used for the encapsulation of the cyclic peptide somatostatin, whose employment, despite the therapeutic potential, is limited by the short half-life and rapid degradation. The system was able to encapsulate and release the peptide in a pH-dependent manner without affecting the structure, which resulted protected while encapsulated. The collaboration was extended for the study of the release profile of somatostatin from nanoemulsions through LC/MS. This formulation was shown to extend the half-life of the peptide by reducing the degradation rate. As an early-stage researcher of the Horizon 2020 network ClickGene, the candidate was involved in the encapsulation and release of a novel Cu(II)-based artificial metallonuclease. Among these compounds, Cu-TPMA-Phen was studied in a formulation with the pH-sensitive NCs. Since the structure of the compound was fundamental to the activity, the conformation of Cu-TPMA-Phen was investigated after the loading/release processes and no modifications were seen. The last goal was the synthesis of a novel drug delivery system for the release of oligonucleotides and derivatives. The fundamental characteristic of DDSs for oligonucleotides were studied and two strategies for the synthesis were designed, but so far a suitable system has not been obtained.