Study and Characterization of Biomimetic Lipid Nanoparticles for Improved Chemotherapy Delivery in Colorectal Cancer

Colorectal cancer is a major global health concern, characterized by high heterogeneity and chronic inflammation, which limit the effectiveness of conventional therapies. Nanomedicine offers a promising strategy to enhance drug delivery by improving specificity, bioavailability, and targeted action. This thesis focuses on the development of liposomes and biomimetic nanoparticles functionalized with membrane proteins from THP-1 cells, aiming to improve interaction with complex biological systems. The nanoparticles were synthesized via microfluidics, purified, and thoroughly characterized in terms of size, charge, concentration, stability, and reproducibility. The orientation of membrane proteins was also investigated to confirm their functional exposure. Biocompatibility and cellular uptake were evaluated in cancer cells, healthy and inflamed endothelial cells, and patient-derived organoids, demonstrating effective interaction with biological models. In vivo biodistribution studies in zebrafish provided preliminary insights into systemic behavior. Overall, the study highlights the stability, reproducibility, and biological potential of these nanocarriers, supporting their application in targeted drug delivery for cancer and inflammatory diseases.

Il carcinoma del colon-retto è una delle principali cause di morbilità e mortalità a livello globale ed è caratterizzato da elevata eterogeneità biologica e infiammazione cronica, fattori che limitano l’efficacia delle terapie convenzionali. In questo contesto, la nanomedicina offre strategie innovative per migliorare la specificità e l’efficacia dei trattamenti. Questa tesi si concentra sullo sviluppo di sistemi di drug delivery avanzati, in particolare liposomi e nanoparticelle biomimetiche funzionalizzate con proteine di membrana derivate da cellule monocitarie THP-1, con l’obiettivo di migliorare l’interazione con sistemi biologici complessi. Le nanoparticelle sono state sintetizzate mediante microfluidica, purificate e caratterizzate in termini di dimensione, carica, concentrazione e stabilità nel tempo. È stata inoltre verificata la riproducibilità del processo e studiato l’orientamento delle proteine di membrana nel bilayer lipidico. La biocompatibilità è stata valutata su cellule tumorali del colon-retto, mentre studi di internalizzazione sono stati condotti su linee cellulari tumorali, endoteliali sane ed infiammate, e organoidi di cancro al colonretto derivati da paziente. Infine, la biodistribuzione in vivo è stata analizzata in un modello di zebrafish. Nel complesso, i risultati dimostrano che questi sistemi nanovettoriali sono stabili, riproducibili e in grado di interagire efficacemente con i sistemi biologici, evidenziando il loro potenziale come piattaforme avanzate per il drug delivery in ambito oncologico e infiammatorio.