Production of polymeric nanoparticles for redox-triggered drug delivery

Delivering drugs efficiently to diseased tissues remains a major challenge in modern medicine. Nanoparticles (NPs) have gained attention as versatile carriers that can overcome many of the limitations of conventional therapies. According to ISO/TR 18401:2017, NPs are defined as “nano-objects with all external dimensions in the nanoscale where the lengths of the longest and the shortest axes of the nano-objects do not differ significantly. If the dimensions differ significantly (typically by more than 3 times), terms such as nanofibre or nanoplate may be preferred to the term nanoparticle”. Their characteristics, such as size, morphology, and charge, are directly linked to their performance. Indeed, they influence several NPs features like circulation time, targeting capabilities, and cellular uptake. Size plays a crucial role in designing drug-delivery systems, as it directly affects the passive targeting of diseased tissues, including tumors and inflamed areas. Additionally, NPs can be manipulated to create stimuli-responsive carriers that can provide a controlled, as well as on-demand, release of a drug. Stimuli-responsive NPs can release their cargo in response to exogenous or endogenous factors, including pH, reactive oxygen species, glutathione, and enzymes, which undergo variations in the presence of tumors and inflammatory conditions. To produce NPs for drug delivery, biocompatible materials are essential for their formulation. In this context, polymers, such as alginate, chitosan (CS), hyaluronic acid (HA), and starch, offer significant advantages due to their biocompatibility, hydrophilicity, biodegradability, and easy chemical modification. Particularly, CS, a cationic polysaccharide of (14) linked units of N-acetyl-D-glucosamine and D-glucosamine, is frequently used to produce drug delivery systems due to its inherent antibacterial and hemostatic activity. High molecular weight (HMW) HA, an extracellular matrix component, is also widely employed in therapeutic formulations due to its anti-inflammatory properties, among others. Thus, this study aimed to produce stimuli-responsive NPs based on HMW HA and CS to encapsulate diclofenac, a non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID). The resulting NPs should be sensitive to glutathione reductase that presents high activity in inflamed tissues. For that, CS was functionalized with thiol groups, which were then oxidized into disulfide bonds. These bonds are stable under normal physiological conditions but can be cleaved in inflamed tissues, where glutathione levels are elevated, leading to the release of diclofenac, enhancing its therapeutic efficacy and decreasing the side effects. In addition to the dropwise approach, the production of the NPs also occurred via microfluidics, allowing for a comparative analysis of both methods’ efficiency and effectiveness.

L'efficace somministrazione di farmaci ai tessuti malati costituisce ancora oggi una sfida centrale nella medicina moderna. Per questo motivo, le nanoparticelle (NP) hanno suscitato grande interesse come sistemi di trasporto capaci di migliorare l’efficacia e le limitazioni legate alle terapie tradizionali. Le NP sono definite come "nano-oggetti con tutte le dimensioni esterne su scala nanometrica in cui le lunghezze degli assi più lungo e più corto dei nano-oggetti non differiscono in modo significativo. Se le dimensioni differiscono in modo significativo (in genere di oltre 3 volte), termini come nanofibra o nanopiastra possono essere preferiti al termine nanoparticella" (ISO/TR 18401:2017). Le loro caratteristiche, come dimensioni, morfologia e carica, sono strettamente collegate alle loro prestazioni, influenzandone il tempo di circolazione, le capacità di targeting e l'assorbimento cellulare. Dato l’impatto significativo, le dimensioni dovrebbero essere prese in considerazione quando si progettano sistemi di somministrazione di farmaci poiché possono contribuire direttamente a migliorare il targeting passivo di alcuni tessuti patologici, come quelli tumorali o infiammati. Le NP possono inoltre essere ingegnerizzate per creare vettori responsivi agli stimoli in grado di fornire un rilascio controllato e “on-demand” di un farmaco. Le NP reattive agli stimoli possono rilasciare il loro carico in risposta a fattori esogeni o endogeni, tra cui pH, specie reattive dell'ossigeno, glutatione ed enzimi, che subiscono variazioni caratteristiche in presenza di condizioni tumorali o infiammatorie. Per la produzione di NP destinate alla somministrazione di farmaci, l’impiego di materiali biocompatibili è essenziale. In questo contesto, polimeri come l'alginato, il chitosano (CS), l'acido ialuronico (HA) e l'amido, offrono vantaggi significativi grazie alla loro biocompatibilità, idrofilia, biodegradabilità e possibilità di modifiche chimiche. In particolare, il CS, un polisaccaride cationico costituito da β(1→4) unità di N-acetil-D-glucosamina e D-glucosamina, è ampiamente utilizzato nella realizzazione di sistemi di drug delivery per la sua intrinseca attività antibatterica ed emostatica. L'HA ad alto peso molecolare (HMW), un componente della matrice extracellulare, è altrettanto impiegato nelle formulazioni terapeutiche grazie alle sue proprietà antinfiammatorie. Pertanto, questo studio mirava a produrre NP reattive agli stimoli basati su HMW HA e CS per incapsulare il diclofenac, un farmaco antinfiammatorio non steroideo (FANS). Le NP risultanti dovrebbero essere sensibili alla glutatione reduttasi che presenta un'elevata attività nei tessuti infiammati. A tale scopo, il CS è stato funzionalizzato con gruppi tiolici, successivamente ossidati in legami disolfuro. Nello specifico, tali legami rimangono stabili in normali condizioni fisiologiche, ma possono essere rotti nei tessuti infiammati, dove i livelli di glutatione sono elevati. Tale rottura determina il rilascio del diclofenac, con conseguente aumento dell’efficacia terapeutica e riduzione degli effetti collaterali ad esso associati. Oltre al tradizionale approccio dropwise, la produzione delle NP è avvenuta anche tramite microfluidica, al fine di effettuare un'analisi comparativa dell'efficienza e dell'efficacia di entrambi i metodi.