This PhD thesis describes the development of silica nanocarriers that will be potentially useful in photodynamic therapy. The research described in this thesis was conducted within the Nanophoto project, a EU-funded collaborative effort to address the current limitations of photodynamic therapy through nanotechnology. A new strategy for the one-step synthesis of highly PEGylated ORMOSIL silica nanoparticles doped with hydrophobic molecules for use as drug carriers is presented, in particular for PDT. Thanks to this procedure, size of prepared nanoparticles can be controlled in the range between 10 and 200 nm, and purification procedures are much simpler than those involved in current literature methods. The dense PEG layer makes the nanoparticles stable by aggregation in saline medium and in a biological environment and endows them at the same time with stealth properties (capture resistence from immunitary system cells) both in vitro and in vivo. As a consequence, the drug concentration in tumoral tissues is increased significantly by the EPR effect (Enhanced Permeability and Retention). The photosintetizer used in my thesis is meta-tetra(hydroxyphenyl)chlorin (mTHPC), anticancer and dermatological drug: its forniture was provided by Biolitec, one of the partner of the Nanophoto project. However, the PEG coating is not completely effective in preventing the release of the photosensitizer mTHPC in the presence of serum, a problem that hampered our previous attempts. The drug was then modified so that it could be covalently anchored to the nanoparticles, and the effects on its physical and chemical properties after derivatization and grafting to the silica matrix were investigated. The new procedure also enables the introduction of functional groups on the PEG layer at the same time of nanoparticle’s formation. These reactive moieties can be used for the subsequent conjugation of small organic molecules, such as folic acid or biotin, or the bioconjugation of antibodies and other biomolecules so as to obtain targeted nanoparticles. Encouraging resultswere demonstrated in active targeting experiments with monoclonal antibodies, such as those for D2B, specific for prostatic tumoral antigen, and EGF (Epidermial Growth Factor).

Questa tesi di dottorato si inserisce nel campo della nanomedicina e si occupa della realizzazione di nanovettori di silice per potenziali applicazioni nella terapia fotodinamica (PDT). Questo lavoro di tesi era inserito nel progetto Nanophoto, finanziato dalla comunità europea e a cui partecipano diversi gruppi di ricerca e imprese italiani ed europei. Più in particolare, la tesi discute di una nuova procedura sintetica che consente di realizzare in un unico step nanoparticelle di silice organicamente modificata (ORMOSIL) ricoperte con un denso strato di PEG e caricate con molecole idrofobiche, tra cui fluorescenti e foto sensibilizzatori per la PDT. Grazie a questa procedura è possibile controllare il diametro delle nanoparticelle preparate in un intervallo tra 10 e 200 nm e la purificazione delle preparazioni è stata molto semplificata. Lo strato di PEG dei carrier è estremamente denso, tanto da rendere le nanoparticelle stabili contro l’aggregazione anche in mezzi salini ed in ambiente biologico, e da conferire loro notevoli abilità stealth (resistenza alla cattura da parte di cellule del sistema immunitario) sia in vitro che in vivo e da incrementare notevolmente l’accumulo nei tessuti tumorali in virtù dell’effetto EPR (Enhanced Permeability and Retention). Il fotosensibilizzatore utilizzato in questo lavoro di tesi è la tetra(metaidrossifenil)clorina (mTHPC), già commercializzata come farmaco antitumorale e dermatologico e fornita dalla ditta Biolitec, che è coinvolta nel progetto Nanophoto. La speranza iniziale era quella di poter intrappolare fisicamente l’THPC nelle nanoparticelle senza necessità di modificarlo. Tuttavia studi effettuati nell’ambito del progetto e del mio lavoro di tesi hanno dimostrato che il fotosensibilizzatore viene rapidamente rimosso dalle nanoparticelle in presenza di proteine del siero. Neppure il coating di PEG, che sfavorisce l’interazione delle particelle con le proteine, è capace di arrestare la fuga dell’mTHPC. Il fotosensibilizzatore è stato quindi modificato chimicamente per consentirgli di ancorarsi covalentemente alla matrice dellananoparticella. L’elaborato discute gli effetti della funzionalizzazione e del legame con la matrice silicea sulle caratteristiche dell’ mTHPC. La nuova procedura di sintesi messa a punto permette inoltre di introdurre dei gruppi funzionali nello strato di PEG contemporaneamente alla formazione delle particelle. Questi gruppi funzionali possono essere utilizzati per una successiva coniugazione con piccole molecole organiche, come acido folico e biotina, oppure per la bioconiugazione di anticorpi e altre biomolecole e ottenere così nanoparticelle direzionanti. Risultati particolarmente incoraggianti sono stati ottenuti in queste strategie di targeting attivo con anticorpi monoclonali come il D2B, specifico per l’antigene deltumore prostatico, e con ligandi di recettori sovraespressi dai tumori come l’EGF (Epidermial Growth Factor).

Nuovi agenti per la terapia fotodinamica basati su nanosistemi / Selvestrel, Francesco. - (2011 Jan 31).

Nuovi agenti per la terapia fotodinamica basati su nanosistemi

Selvestrel, Francesco
2011-01-31

Abstract

This PhD thesis describes the development of silica nanocarriers that will be potentially useful in photodynamic therapy. The research described in this thesis was conducted within the Nanophoto project, a EU-funded collaborative effort to address the current limitations of photodynamic therapy through nanotechnology. A new strategy for the one-step synthesis of highly PEGylated ORMOSIL silica nanoparticles doped with hydrophobic molecules for use as drug carriers is presented, in particular for PDT. Thanks to this procedure, size of prepared nanoparticles can be controlled in the range between 10 and 200 nm, and purification procedures are much simpler than those involved in current literature methods. The dense PEG layer makes the nanoparticles stable by aggregation in saline medium and in a biological environment and endows them at the same time with stealth properties (capture resistence from immunitary system cells) both in vitro and in vivo. As a consequence, the drug concentration in tumoral tissues is increased significantly by the EPR effect (Enhanced Permeability and Retention). The photosintetizer used in my thesis is meta-tetra(hydroxyphenyl)chlorin (mTHPC), anticancer and dermatological drug: its forniture was provided by Biolitec, one of the partner of the Nanophoto project. However, the PEG coating is not completely effective in preventing the release of the photosensitizer mTHPC in the presence of serum, a problem that hampered our previous attempts. The drug was then modified so that it could be covalently anchored to the nanoparticles, and the effects on its physical and chemical properties after derivatization and grafting to the silica matrix were investigated. The new procedure also enables the introduction of functional groups on the PEG layer at the same time of nanoparticle’s formation. These reactive moieties can be used for the subsequent conjugation of small organic molecules, such as folic acid or biotin, or the bioconjugation of antibodies and other biomolecules so as to obtain targeted nanoparticles. Encouraging resultswere demonstrated in active targeting experiments with monoclonal antibodies, such as those for D2B, specific for prostatic tumoral antigen, and EGF (Epidermial Growth Factor).
Questa tesi di dottorato si inserisce nel campo della nanomedicina e si occupa della realizzazione di nanovettori di silice per potenziali applicazioni nella terapia fotodinamica (PDT). Questo lavoro di tesi era inserito nel progetto Nanophoto, finanziato dalla comunità europea e a cui partecipano diversi gruppi di ricerca e imprese italiani ed europei. Più in particolare, la tesi discute di una nuova procedura sintetica che consente di realizzare in un unico step nanoparticelle di silice organicamente modificata (ORMOSIL) ricoperte con un denso strato di PEG e caricate con molecole idrofobiche, tra cui fluorescenti e foto sensibilizzatori per la PDT. Grazie a questa procedura è possibile controllare il diametro delle nanoparticelle preparate in un intervallo tra 10 e 200 nm e la purificazione delle preparazioni è stata molto semplificata. Lo strato di PEG dei carrier è estremamente denso, tanto da rendere le nanoparticelle stabili contro l’aggregazione anche in mezzi salini ed in ambiente biologico, e da conferire loro notevoli abilità stealth (resistenza alla cattura da parte di cellule del sistema immunitario) sia in vitro che in vivo e da incrementare notevolmente l’accumulo nei tessuti tumorali in virtù dell’effetto EPR (Enhanced Permeability and Retention). Il fotosensibilizzatore utilizzato in questo lavoro di tesi è la tetra(metaidrossifenil)clorina (mTHPC), già commercializzata come farmaco antitumorale e dermatologico e fornita dalla ditta Biolitec, che è coinvolta nel progetto Nanophoto. La speranza iniziale era quella di poter intrappolare fisicamente l’THPC nelle nanoparticelle senza necessità di modificarlo. Tuttavia studi effettuati nell’ambito del progetto e del mio lavoro di tesi hanno dimostrato che il fotosensibilizzatore viene rapidamente rimosso dalle nanoparticelle in presenza di proteine del siero. Neppure il coating di PEG, che sfavorisce l’interazione delle particelle con le proteine, è capace di arrestare la fuga dell’mTHPC. Il fotosensibilizzatore è stato quindi modificato chimicamente per consentirgli di ancorarsi covalentemente alla matrice dellananoparticella. L’elaborato discute gli effetti della funzionalizzazione e del legame con la matrice silicea sulle caratteristiche dell’ mTHPC. La nuova procedura di sintesi messa a punto permette inoltre di introdurre dei gruppi funzionali nello strato di PEG contemporaneamente alla formazione delle particelle. Questi gruppi funzionali possono essere utilizzati per una successiva coniugazione con piccole molecole organiche, come acido folico e biotina, oppure per la bioconiugazione di anticorpi e altre biomolecole e ottenere così nanoparticelle direzionanti. Risultati particolarmente incoraggianti sono stati ottenuti in queste strategie di targeting attivo con anticorpi monoclonali come il D2B, specifico per l’antigene deltumore prostatico, e con ligandi di recettori sovraespressi dai tumori come l’EGF (Epidermial Growth Factor).
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Nuovi agenti per la terapia fotodinamica basati su nanosistemi / Selvestrel, Francesco. - (2011 Jan 31).
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