Plasmonic and Magnetic Nanostructures for Multiplexing Detection and Multiple Imaging Techniques in Bionanomed

In the last years nanotechnology is strongly influencing the progresses of medicine, in particular against cancer, both for diagnostic and therapeutic purposes. Nanostructures can be planned with properties useful for a specific application. However, the same nanostructure can be synthesized also for more diagnostic techniques. In addiction, one can also plan these nanostructures for what is called multiplexing, namely the presence in the same diagnostic signal of information related to many analytes at the same time. The nanostructures can be synthesized for obtaining targeting, which increases the ability of discriminating different type of tumour associated antigens or, in the case of therapeutic purposes, for the ability of being directed to a specific site. In the present thesis, nanostructures have been synthesized for their applications in particular with two techniques like surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) and magnetic resonance imaging (MRI), which are complementary techniques for imaging. The nanostructures have been functionalized also with antibodies for targeting antigens. SERS exploits the huge enhancement of electromagnetic fields of plamonic nanostructures. It is shown that this technique can be used for quantitative measurements of clinically interesting anticancer drugs, with a linear range response in the order of nanomole per millimetre square of SERS active area, which is appropriate also for clinical purposes. It is also demonstrated how molecules with a poor Raman cross section could be revealed with the help of a protocol, called Reactive-SERS, which considers a simple photoactivated reaction. Nanoparticles are obtained with laser ablation and they are found easy to functionalize due to their unique naked surface. It is shown that their properties are useful in laser desorption ionization mass spectrometry. Used as a matrix, they are compared with chemically produced particles and with a widely used organic matrix and they always show the lowest background especially in the low mass region under 500 Da, which is important for the identification of small molecules. Multiplexing analysis are carried out with gold nanoparticles (AuNP) functionalized with different dyes, as SERS reporters, associated to different antibodies. The library of optimized thiolated reporters is increased and makes possible to investigate more complex biological samples. This application is also translated to the cultural heritage research field for the characterization of paint stratigraphic samples. Multimodal contrast agents are developed, coupling the SERS activity, typical of dye functionalized gold nanoparticles, with magnetic sensitive moieties, like iron atoms in alloy nanoparticles or with Gd3+ ions linked to gold nanoparticles. A new polymer, called SuperDOTA, is synthetized for achieving high Gd3+ loadings on the surface of nanoparticles. Preliminary results show that AuNPs, functionalized with both a SERS reporter dye and SuperDOTA-Gd, have useful properties for in vivo MRI tumour analysis and ex-vivo SERS imaging.

Negli ultimi anni le nanotecnologie stanno fortemente influenzando i progressi della medicina, in particolare contro il cancro, sia per quanto riguarda la diagnostica che la terapia. Le nanostrutture possono essere pianificate con proprietà utili per specifiche applicazioni. Ad ogni modo, la stessa nanostruttura può essere sintetizzata anche per più tecniche diagnostiche. In aggiunta, si possono ottenere nanostrutture per quel che viene chiamato multiplexing, ovvero la presenza nello stesso segnale diagnostico di informazioni relative a più analiti simultaneamente. Le nanostrutture possono essere sintetizzate per ottenere targeting, che aumenta l’abilità di discriminare differenti tipi di antigeni associati a tumori o, nel caso di obiettivi terapeutici, per l’abilità di raggiungere un sito specifico. Nella presente tesi, le nanostrutture sono state sintetizzate per applicazioni con due particolari tecniche come la spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS) e l’imaging per risonanza magnetica (MRI), che sono tecniche di imaging complementari. Le nanostrutture sono state altresì funzionalizzate con anticorpi per il riconoscimento di antigeni. Il SERS sfrutta l’enorme amplificazione dei campi elettromagnetici di una nanostruttura plasmonica. Viene mostrato che questa tecnica può essere usata per misure quantitative di farmaci antitumorali di interesse clinico, con un range di risposta lineare nell’ordine delle nanomoli per millimetro quadrato di superficie SERS attiva, che risulta appropriato anche per applicazioni cliniche. Viene in oltre dimostrato come molecole con una bassa sezione d’urto Raman possano essere rivelate con l’aiuto di un protocollo, chiamato Reactive-SERS, che sfrutta una semplice reazione fotoattivata. Le nanoparticelle sono ottenute per ablazione laser e risultano quindi facili da funzionalizzare a causa della loro peculiare purezza superficiale. Viene mostrato che le loro proprietà sono utili per la spettrometria di massa a ionizzazione per desorbimento laser. Usate come matrice, sono state confrontate con particelle prodotte chimicamente e con una matrice organica largamente utilizzata e hanno sempre mostrato un rumore di fondo inferiore, specialmente nella zona dei bassi pesi molecolari, sotto i 500 Da, che è una zona importante per l’identificazione di piccole molecole. L’analisi in multiplexing viene fatta con nanoparticelle di oro (AuNP) funzionalizzate con differenti coloranti, come SERS reporters, associati a differenti anticorpi. La libreria di coloranti tiolati ottimizzati è stata incrementata e rende possibile investigare campioni biologici più complessi. Questa applicazione è stata anche traslata alla ricerca applicata ai beni culturali per la caratterizzazione di campioni pittorici stratigrafici. Sono stati sviluppati agenti di contrasto multimodali, accoppiando l’attività SERS, tipica delle particelle di oro funzionalizzate con coloranti, e agenti sensibili a campi magnetici, come atomi di ferro in nanoparticelle di lega o ioni Gd3+ legati alle nanoparticelle di oro. Un nuovo polimero, chiamato SuperDOTA, è stato sintetizzato per raggiungere alte concentrazioni di Gd3+ sulla superficie delle nanoparticelle. Risultati preliminari mostrano che queste AuNP, funzionalizzate sia con coloranti SERS reporter che con SuperDOTA-Gd, hanno proprietà utili per analisi in vivo di tumori con MRI ed imaging ex vivo con SERS.