Sistemi polimerici multicomponente per la veicolazione di principi attivi

Abstract

L’attività di ricerca riportata nel presente lavoro di tesi di dottorato si inserisce nel contesto della sintesi e caratterizzazione di materiali multifunzionali per la veicolazione e il direzionamento di principi attivi. Nello specifico, all’interno del panorama di materiali proposti per il drug delivery, l’interesse è stato incentrato sulla realizzazione di sistemi multicomponente costituiti principalmente da due classi di materiali: i sistemi polimerici di natura organica e le nanostrutture al carbonio di natura inorganica. Per quanto riguarda la componente polimerica sono stati presi in considerazione sistemi macromolecolari coniugati ottenuti mediante derivatizzazione funzionale di polimeri di origine naturale, quali polisaccaridi (chitosano e destrano) e proteine (gelatina e albumina serica umana), con polifenoli dalle note attività antitumorali e antibatteriche quali curcumina e quercetina. L’inserimento di tali bioconiugati in idrogel o sistemi nanoparticellari ha permesso di ottenere sistemi di rilascio funzionali per la veicolazione di principi attivi in cui l’attività biologica è riconducibile non solo al farmaco trasportato ma anche alle caratteristiche del carrier. Per la componente inorganica sono stati presi in considerazione i Nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) e il grafene Ossido (GO) che, grazie alle loro proprietà di elevata affinità per molecole farmacologicamente attive, rapida internalizzazione cellulare e conducibilità elettrica, permettono, quando vengono inseriti nei veicoli funzionali precedentemente descritti, di realizzare sistemi per il trasporto mirato di farmaci ad elevata efficienza e in grado di modulare il rilascio di un principio attivo in seguito all’applicazione di un campo elettrico e magnetico. In questo modo è stato possibile ottenere materiali innovativi con proprietà superiori a quelle dei singoli componenti che, date le funzionalità biologiche selezionate, sono stati sintetizzati e proposti per il trattamento delle ferite cutanee e di diversi tipi di tumori solidi quali carcinoma mammario, neuroblastoma e glioblastoma. L’attività di ricerca è stata svolta nell’ambito di collaborazioni nazionali ed internazionali attive presso il gruppo di ricerca di Tecnologie Farmaceutiche e Cosmetologiche del dipartimento di Farmacia e Scienze della Salute e della Nutrizione con la Charité – Universitätsmedizin Berlin (Germania), il Leibniz Institute of Solid State and Material Research Dresden (Germania), l’University of New South Wales (Sydney, Australia), e il Dipartimento di Biologia dell’Università di Pisa. Tale attività si è articolata nello studio, realizzazione e caratterizzazione dei seguenti materiali compositi: 1) Idrogel ibridi elettrosensibili. Idrogel contenenti grafene ossido e gelatina o tripsina e caricati con curcumina sono stati proposti come strumento per il trattamento delle ferite cutanee. Il GO conferisce stabilità termica e meccanica al reticolo polimerico, nonché un’elevata elettrosensibilità che consente la modulazione dell’entità e della cinetica di rilascio in funzione delle diverse esigenze terapeutiche La presenza dei materiali proteici, gelatina e tripsina, assicura elevati livelli di biocompatibilità all’idrogel finale, come evidenziato dagli studi morfologici effettuati sucellule MRC-5 incubate in presenza dei materiali di medicazione nei quali non viene registrata alcuna variazione strutturale. Nel caso degli idrogel contenenti tripsina, il mantenimento dell’attività proteolitica all’interno del reticolo polimerico ha permesso di ampliare le potenzialità applicative dei dispositivi ibridi ai casi in cui è richiesta la degradazione delle proteine nel sito di guarigione. Il rilascio da questi materiali della Curcumina si è rivelata una strategia utile per realizzare un dispositivo funzionale in grado di preservare il sito di guarigione dalle infezioni microbiche. 2) Idrogel multifunzionali con attività antiossidante Idrogel il cui rigonfiamento dipende dalla variazione di stimoli esterni a base di un coniugato chitosano-quercetina sono stati proposti come dispositivi in grado di modulare il rilascio di molecole bioattive in risposta a variazioni di pH e temperatura. La sensibilità alle variazioni di temperatura ha permesso anche di modulare le proprietà antiossidanti della quercetina, sfruttando le transizioni di fase volumetrica, mentre le variazioni di pH si sono dimostrate più efficaci nel modulare il rilascio: a pH 2.0, il maggior rilascio si è registrato a 40°C, mentre a pH 7.0 la contrazione dell’idrogel diventa predominante. 3) Sistemi compositi idrogel/microparticelle È stato realizzato un sistema composito idrogel/microparticelle. L’idrogel, formato da un network polimerico ottenuto dalla polimerizzazione radicalica tra monomeri acrilici e un coniugato gelatina-curcumina, è stato progettato per garantire il mantenimento di un ambiente umido e per fornire protezione dalla tossicità dei ROS agendo, allo stesso tempo, come supporto per la crescita cellulare. La porzione microparticellare, costituita da cheratina lipidizzata autoassemblante caricata con quercetina, ha lo scopo di promuovere la proliferazione cellulare e controllare il rilascio del polifenolo ad attività antimicrobica, preservando così il sito di guarigione dalle infezioni. I risultati complessivi possono essere considerati un valido punto di partenza per rispondere alle esigenze chiave di un dispositivo funzionale in grado di promuovere il processo di guarigione delle ferite cutanee. 4) Nanoparticelle autoassemblanti È stato realizzato un sistema nanoparticellare a partire da un coniugato destrano-curcumina con proprietà autoassemblanti per la veicolazione del metotrexato all’interno di cellule di carcinoma mammario. Il profilo di rilascio di MTX è risultato prolungato nel tempo come conseguenza dell’incapsulamento del farmaco; i saggi di vitalità cellulare in vitro hanno mostrato chiaramente il potenziamento dell’attività citotossica sia per la presenza dei residui di curcumina immobilizzati che per la rapida internalizzazione delle nanoparticelle nelle cellule tumorali. 5) Nanoibridi a base di nanotubi di carbonio Sistemi nanoparticellari a base di MWCNT rivestiti di chitosano sono stati proposti come dispositivi per il rilascio pH sensibile del metotrexato all’interno di cellule di carcinoma polmonare. L’estesa caratterizzazione chimico-fisica del nanoibrido ha permesso di evidenziare il corretto assemblaggio delle controparti organiche e inorganiche, mentre quella biologica in vitro ha dimostrato che, il sistema nanoparticellare è in grado di agire in maniera sinergica con il metotrexato in cellule tumorali con caratteristiche di pH peculiari, riducendo la tossicità del farmaco rispetto alle cellule sane. 6) Nanoibridi a base di grafene ossido e nanoparticelle magnetiche di maghemite Sono stati realizzati materiali sensibili all’applicazione di un campo magnetico per la veicolazione sito specifica di cisplatino all’interno di cellule di glioblastoma combinando nanoparticelle γ-Fe2O3 su foglietti di GO. I risultati dimostrano la possibilità di ottenere un rilascio prolungato del CisPt e un efficace targeting magnetico nelle cellule tumorali con ridotta tossicità a carico delle cellule sane. 7) Nanoibridi funzionali a base di grafene ossido È stato progettato e realizzato un nanoibrido a base di ossido di grafene, nanoparticelle magnetiche di magnetite e un coniugato albumina serica umana – curcumina in grado di controllare la veicolazione sito-specifica di agenti citotossici come la doxorubicina. La strategia sintetica si è articolata in due fasi: nella prima fase il coniugato polimerico e il sistema grafene-magnetite sono stati preparati rispettivamente tramite catalisi enzimatica e reazione di coniugazione covalente. Successivamente i due sistemi sono stati assemblati per formare il nanoibrido finale. Il profilo di rilascio è risultato essere pH sensibile, come conseguenza della modulazione dell’affinità farmaco-carrier, mentre i risultati dei test di vitalità su cellule di neuroblastoma hanno dimostrato il potenziamento dell’attività citotossica della doxorubicina in presenza di curcumina nel rivestimento. La capacità di essere internalizzato dalle cellule, unita alla possibilità di ottenere una concentrazione locale del farmaco sotto l’applicazione di un campo magnetico esterno, rende il nanosistema proposto un vettore promettente per il trattamento del neuroblastoma. La tesi ha affrontato i diversi aspetti dei sistemi proposti per la veicolazione sito-specifica e il rilascio controllato di farmaci. Analizzando le proprietà dei diversi componenti utilizzati, è stato possibile evidenziare le peculiarità di ogni sistema (idrogel e nanoparticelle) e materiale (coniugati polimerici e nanostrutture al carbonio) che ne permettono la combinazione in materiali multifunzionali che ben si adattano alle specifiche esigenze applicative.