Sintesi e caratterizzazione di sistemi nanoparticellari multivalenti veicolati all’interno di liposomi per applicazioni in teragnostica

In recent years, nanoparticle development has expanded to a wide range of clinical applications. Nanoparticles have been developed to overcome the limitations of current therapies and biological barriers, such as systemic, microenvironmental, and cellular barriers, which are heterogeneous across different patient populations and disease states. However, nanoparticle development continues to focus on optimizing drug delivery platforms in search of a universal solution. As nanoparticles, for example, based on lipids, polymers, and inorganic materials, become increasingly specifically designed, the possibility of constructing increasingly personalized drug platforms is emerging, thus ushering in the era of precision medicine. Bottom-up approaches to nanomaterial synthesis involve assembling smaller molecular or atomic units into larger, more complex nanostructures. Bottom-up strategies offer precise control over the size, shape, and composition of nanomaterials, making them ideal for the fabrication of highly ordered structures with tailorable properties. This thesis aims to use this approach to design new complex nanoparticle-based systems that can be used as targeted drug delivery systems. Specifically, we considered combinations of gold nanoparticles, ferromagnetic nanoparticles, BSA-based protein nanoparticles, carbon dots, coacervates, and liposomes. These nanosystems were first studied and characterized separately, and then combined as Matryoshka systems to fully exploit the individual characteristics of the various components. The 15 nm gold nanoparticles were selected for their plasmonic properties, while the ferromagnetic iron oxide-based nanoparticles were selected for their magnetic properties, as they can direct the nanosystem depending on the applied magnetic field. Protein-based nanoparticles were selected for their versatility in synthesis and the ability to incorporate the previous inorganic nanoparticles. Carbon dots were selected for their unique photophysical properties. Coacervates proved efficient in concentrating the previous nanosystems within them, and finally, liposomes were selected for a complete encapsulation in a confined space. The results of this thesis demonstrate the potential of the synergistic Matryoshka-style combination of these nanosystems, constructed through a bottom-up approach, which allows for their visualization and delivery.

Negli ultimi anni, lo sviluppo di nanoparticelle si è esteso ad un'ampia gamma di applicazioni cliniche. Le nanoparticelle sono state sviluppate per superare i limiti delle terapie in uso e superare le barriere biologiche, quali quelle sistemiche, microambientali e cellulari, che sono eterogenee nelle diverse popolazioni di pazienti e di patologie. Tuttavia, lo sviluppo di nanoparticelle continua a focalizzarsi sull'ottimizzazione delle piattaforme di somministrazione farmacologica alla ricerca una soluzione universale. Man mano che le nanoparticelle (ad esempio) a base lipidiche, polimeriche e inorganiche vengono progettate in modo sempre più specifico, si inizia a intravedere la possibilità di costruire piattaforme farmacologiche in modo sempre più personalizzato, entrando dunque nell'era della medicina di precisione. Gli approcci bottom-up nella sintesi dei nanomateriali prevedono l'assemblaggio di unità molecolari o atomiche più piccole in nanostrutture più grandi e complesse. Le strategie bottom-up offrono un controllo preciso su dimensioni, forma e composizione dei nanomateriali, rendendole ideali per la fabbricazione di strutture altamente ordinate con proprietà personalizzabili. In questa Tesi si vuole utilizzare tale approccio per progettare nuovi sistemi a base di nanoparticelle complesse utilizzabili come sistemi di somministrazione mirata di farmaci. In particolare, abbiamo preso in considerazione la combinazione fra nanoparticelle d’oro, nanoparticelle ferromagnetiche, nanoparticelle proteiche a base di BSA, carbon-dots, coacervati e liposomi. Si sono studiati e caratterizzati questi nanosistemi dapprima separatamente, e successivamente sono stati combinati come sistemi Matrioska per sfruttare appieno le singole caratteristiche delle varie componenti. Le nanoparticelle d’oro di 15 nm sono state selezionate per le loro proprietà plasmoniche, mentre quelle ferromagnetiche a base di ossidi di ferro per le loro proprietà magnetiche, in quanto è possibile direzionare il nanosistema a seconda del campo magnetico applicato. Le nanoparticelle a base di proteine per la loro versatilità di sintesi e la possibilità di inglobare le precedenti nanoparticelle inorganiche. I carbon-dots per le loro peculiari proprietà foto-fisiche. I coacervati si sono dimostrati efficienti nella concentrazione al loro interno dei precedenti nanosistemi, ed infine i liposomi per il completo incapsulamento in uno spazio confinato. I risultati di questo lavoro di Tesi mostrano la potenzialità della combinazione sinergica di tipo Matrioska di questi nanosistemi costruiti attraverso un approccio bottom-up, che ne permette la visualizzazione ed il delivery.