IT202300015396A1 - COATED NANOPARTICLES AND THEIR USE FOR THERAPEUTIC AND DIAGNOSTIC DELIVERY - Google Patents
COATED NANOPARTICLES AND THEIR USE FOR THERAPEUTIC AND DIAGNOSTIC DELIVERYInfo
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Description
Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: Description of the patent for an industrial invention entitled:
?NANOPARTICELLE RIVESTITE E LORO USO PER IL TRASPORTO DI AGENTI TERAPEUTICI E DIAGNOSTICI? COATED NANOPARTICLES AND THEIR USE FOR THERAPEUTIC AND DIAGNOSTIC DELIVERY?
La presente invenzione riguarda nanoparticelle rivestite in grado di mimare la funzione delle vescicole extracellulari e di trasportare agenti terapeutici o diagnostici verso cellule o tessuti bersaglio, e di rilasciarli a livello intracellulare. The present invention relates to coated nanoparticles capable of mimicking the function of extracellular vesicles and of transporting therapeutic or diagnostic agents to target cells or tissues, and of releasing them intracellularly.
Un ulteriore aspetto dell?invenzione riguarda composizioni diagnostiche, terapeutiche o teranostiche comprendenti le nanoparticelle rivestite insieme a veicoli o eccipienti farmaceuticamente accettabili. A further aspect of the invention relates to diagnostic, therapeutic or theranostic compositions comprising the coated nanoparticles together with pharmaceutically acceptable carriers or excipients.
SFONDO DELL?INVENZIONE BACKGROUND OF THE INVENTION
Le vescicole extracellulari (EVs) rivestono un ruolo importante nella comunicazione tra cellule dell?organismo umano e animale, essendo responsabili del trasporto e consegna di innumerevoli biomolecole, tra cui proteine e acidi nucleici. Esse sono di fondamentale interesse poich? mostrano naturalmente un'efficienza e una specificit? elevata nella consegna del loro contenuto. Per questi motivi, le EVs vengono solitamente isolate da vari fluidi biologici, tessuti, colture cellulari, nonch? alimenti come frutta e verdura per essere poi impiegati come sistemi diagnostici di malattie o per lo sviluppo di sistemi di drug delivery. Tuttavia, il crescente interesse per la produzione su larga scala di EVs ? limitato dalle pratiche difficili, lunghe e costose di isolamento e purificazione delle EVs stesse, nonch? dalla difficolt? di ottenere popolazioni di elevata purezza, con grado clinico standardizzato. Inoltre, ? ancora pi? difficile isolare una particolare sottopopolazione di EVs con dimensioni e caratteristiche molecolari specifiche. Di conseguenza, lo sviluppo di nano-vettori basati su EVs ? ancora una sfida aperta a causa della mancanza di una caratterizzazione standard e chiara per garantire riproducibilit?, affidabilit? e sicurezza da un punto di vista farmaceutico e clinico delle EVs attualmente prodotte. Extracellular vesicles (EVs) play an important role in cell-cell communication in humans and animals, being responsible for the transport and delivery of countless biomolecules, including proteins and nucleic acids. They are of fundamental interest because they naturally exhibit high efficiency and specificity in delivering their contents. For these reasons, EVs are commonly isolated from various biological fluids, tissues, cell cultures, as well as foods such as fruits and vegetables to be used as disease diagnostics or for the development of drug delivery systems. However, the growing interest in large-scale EV production is limited by the difficult, time-consuming, and expensive practices of EV isolation and purification, as well as the difficulty of obtaining high-purity, standardized clinical-grade populations. Furthermore, it is even more difficult to isolate a particular subpopulation of EVs with specific size and molecular characteristics. Consequently, the development of EV-based nanocarriers is challenging. still an open challenge due to the lack of a standard and clear characterization to ensure reproducibility, reliability and safety from a pharmaceutical and clinical point of view of the EVs currently produced.
Ad oggi, un ramo medico che cerca di sfruttare il potenziale delle EVs ? quello diagnostico e terapeutico in ambito tumorale. Poich? una delle questioni pi? impegnative relative alla terapia del cancro ? la complessit? e l'eterogeneit? della biologia dei tumori, e quindi la peculiare interazione nano-bio che si verifica tra i tumori e la nanomedicina, un controllo preciso delle propriet? chimico-fisiche delle EVs, o pi? in generale delle nanoparticelle, deve essere prioritario. Per quanto riguarda nanoparticelle (NPs) puramente inorganiche, uno dei principali inconvenienti del loro utilizzo ? legato alla loro aggregazione nei fluidi biologici, e quindi alla loro breve vita nel flusso circolatorio sanguigno, che ne ostacola l'effettiva localizzazione negli organi bersaglio e innesca una rapida risposta immunitaria contraria. Una possibile soluzione per sfruttarle in ambiente biologico pu? essere quella di avere un rivestimento efficace e compatto, come quello con fosfolipidi. Questo rivestimento pu? essere in grado di imitare le membrane cellulari e quindi essere la strategia pi? semplice per conferire a queste NPs propriet? di mimetizzazione rispetto al sistema immunitario e non solo. Inoltre, introducendo strategie di targeting sotto forma di funzionalizzazioni di superficie con proteine, peptidi, aptameri ecc., le NPs potrebbero sfruttare anche un trasporto ed un targeting attivo verso l?organo, tessuto o cellula bersaglio, migliorando in generale il loro profilo di tossicit? nell?organismo. Bisogna infatti tenere presente la naturale capacit? delle EVs naturali di evitare una rapida clearance da parte del sistema immunitario. Infine, alcuni studi in vitro indicano che le EVs naturali posseggono un tropismo intrinseco e possono biodistribuirsi selettivamente in particolari organi e tessuti, grazie alla peculiare composizione molecolare (lipidica e proteica) della cellula progenitrice che le ha prodotte. Per questo motivo, ad oggi, si mira ad usare le EVs naturali come rivestimento di NPs artificiali, costituendo cos? dei nano-costrutti terapeutici e diagnostici (o ?teranostici?). Ci? rappresenterebbe un miglioramento rispetto all?utilizzo dei pi? convenzionali liposomi, grazie alle suddette propriet? biologiche. I liposomi, tuttavia, essendo costituiti da lipidi disponibili in commercio, rendono possibile un'elevata riproducibilit? e lo scale-up dei sistemi di NPs inorganiche ricoperte da liposomi. Tuttavia, le capacit? intrinseche sopra menzionate delle EVs vengono completamente perse, introducendo svantaggi come una bassa biodistribuzione e una rapida clearance, oltre che la mancanza di targeting specifico. To date, one medical branch seeking to exploit the potential of EVs is the diagnostic and therapeutic field in cancer. Since one of the most challenging issues related to cancer therapy is the complexity and heterogeneity of tumor biology, and therefore the peculiar nano-bio interaction that occurs between tumors and nanomedicine, precise control of the chemical-physical properties of EVs, or more generally of nanoparticles, must be a priority. As for purely inorganic nanoparticles (NPs), one of the main drawbacks of their use is related to their aggregation in biological fluids, and therefore to their short lifespan in the bloodstream, which hinders their effective localization in target organs and triggers a rapid adverse immune response. A possible solution to exploit them in a biological environment could be to have an effective and compact coating, such as one with phospholipids. This coating may be able to mimic cell membranes and therefore be the most effective strategy. It is simple to give these NPs camouflage properties with respect to the immune system and beyond. Furthermore, by introducing targeting strategies in the form of surface functionalizations with proteins, peptides, aptamers, etc., the NPs could also exploit active transport and targeting towards the target organ, tissue, or cell, generally improving their toxicity profile in the organism. Indeed, it is necessary to keep in mind the natural ability of natural EVs to avoid rapid clearance by the immune system. Finally, some in vitro studies indicate that natural EVs possess an intrinsic tropism and can selectively biodistribute in particular organs and tissues, thanks to the peculiar molecular composition (lipid and protein) of the progenitor cell that produced them. For this reason, to date, the aim is to use natural EVs as a coating on artificial NPs, thus constituting therapeutic and diagnostic (or "theranostic"?) nanoconstructs. This would represent an improvement over the use of more complex nanoparticles. These EVs are highly effective against conventional liposomes, thanks to the aforementioned biological properties. Liposomes, however, being made from commercially available lipids, enable high reproducibility and scale-up of liposome-coated inorganic NP systems. However, the aforementioned intrinsic capabilities of EVs are completely lost, introducing disadvantages such as poor biodistribution and rapid clearance, as well as the lack of specific targeting.
Una soluzione potrebbe consistere nel determinare la composizione di lipidi e proteine di membrana per poi creare nanoparticelle bioartificiali in grado di mantenere i vantaggi delle EVs naturali. Queste nanoparticelle bioartificiali possono essere costituite da: One solution could be to determine the composition of membrane lipids and proteins and then create bioartificial nanoparticles capable of maintaining the advantages of natural EVs. These bioartificial nanoparticles can be composed of:
- un nucleo (core) inorganico in grado di trasportare una molecola cargo per imaging o terapia; e - an inorganic core capable of carrying a cargo molecule for imaging or therapy; and
- un rivestimento (shell) derivato da frammenti di EVs o costituito da formulazioni di lipidi completamente sintetiche; in grado di biomimare le propriet? delle EVs, ma che ne contengono solo gli elementi chiave necessari per il loro scopo specifico; fornendo cos? un'efficacia terapeutica e diagnostica elevata e specifica. - a coating (shell) derived from EV fragments or made of fully synthetic lipid formulations; capable of biomimicking the properties of EVs, but containing only the key elements necessary for their specific purpose, thus providing high and specific therapeutic and diagnostic efficacy.
Quest?ultimo ? un requisito non soddisfatto n? dalle EVs naturali, a causa della variet? e della complessit? della loro composizione, n? tantomeno dai liposomi commercialmente disponibili. This latter requirement is not met by natural EVs, due to the variety and complexity of their composition, nor by commercially available liposomes.
SOMMARIO DELL?INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION
La presente invenzione rende disponibili nanoparticelle rivestite idonee a veicolare agenti terapeutici e diagnostici (o ?teranostici?) su tessuti o organi bersaglio, trasportandoli verso le cellule d?interesse dove il carico delle nanoparticelle viene rilasciato. The present invention provides coated nanoparticles suitable for delivering therapeutic and diagnostic (or ?theranostic?) agents to target tissues or organs, transporting them to the cells of interest where the nanoparticle cargo is released.
Le nanoparticelle oggetto dell?invenzione consistono in un nucleo costituito da materiale organico o inorganico allo stato solido o semisolido, e un rivestimento lipidico del nucleo, costituito da lipidi carichi, lipidi neutri, colesterolo, lipidi funzionalizzati con PEG, lipidi mono- e bifunzionali, lipidi coniugati con peptidi o proteine, fosfolipidi e sfingomielina, combinati in modalit? tali da ottimizzare la capacit? e selettivit? di delivery della nanoparticella. The nanoparticles of the invention consist of a core made of organic or inorganic material in the solid or semi-solid state, and a lipid coating of the core, made of charged lipids, neutral lipids, cholesterol, PEG-functionalized lipids, mono- and bifunctional lipids, lipids conjugated with peptides or proteins, phospholipids and sphingomyelin, combined in such a way as to optimize the delivery capacity and selectivity of the nanoparticle.
Il materiale costituente il nucleo della nanoparticella pu? essere di per s? dotato di attivit? biologica, oppure pu? essere caricato con agenti terapeutici o diagnostici da rilasciare all?interno della cellula bersaglio. Inoltre, i lipidi costituenti il rivestimento lipidico possono essere funzionalizzati con peptidi o anticorpi per facilitare l?indirizzamento della nanoparticella verso il tessuto bersaglio. The material constituting the nanoparticle's core can be biologically active in itself, or it can be loaded with therapeutic or diagnostic agents for release into the target cell. Furthermore, the lipids constituting the lipid coating can be functionalized with peptides or antibodies to facilitate the nanoparticle's targeting to the target tissue.
Un ulteriore oggetto dell?invenzione ? l?uso della nanoparticella rivestita per veicolare agenti terapeutici o diagnostici verso cellule, tessuti o organi bersaglio, e una composizione diagnostica, terapeutica o teranostica comprendente una nanoparticella rivestita secondo l?invenzione, insieme a veicoli o eccipienti farmaceuticamente accettabili. A further object of the invention is the use of the coated nanoparticle to deliver therapeutic or diagnostic agents to target cells, tissues or organs, and a diagnostic, therapeutic or theranostic composition comprising a coated nanoparticle according to the invention, together with pharmaceutically acceptable carriers or excipients.
DESCRIZIONE DELLE FIGURE DESCRIPTION OF THE FIGURES
Figura 1. Caratterizzazione di OSCs 10 nm. A) Immagini di microscopia elettronica B) Analisi DLS di ssOSCs 10 nm, C) Spettri FTIR in cui si possono osservare le bande S-S fingerprinting all'interno della struttura di silice, D) TGA che dimostra la completa eliminazione del tensioattivo ed E) TGA che confronta OSCs e ssOSCs 10 nm. Figure 1. Characterization of 10 nm OSCs. A) Electron microscopy images B) DLS analysis of 10 nm ssOSCs, C) FTIR spectra in which S-S bands fingerprinting within the silica structure can be observed, D) TGA demonstrating complete elimination of the surfactant, and E) TGA comparing 10 nm OSCs and ssOSCs.
Figura 2. Caratterizzazione delle OSC da 20 nm. A) Immagini di microscopia elettronica B) Analisi DLS di ssOSCs 20 nm, C) Spettri FTIR in cui si possono osservare le bande S-S nella regione dell?infrarosso definita ?fingerprint? all'interno della struttura di silice, D) TGA che dimostra la completa eliminazione del tensioattivo ed E) TGA che confronta OSCs e ssOSCs 20 nm. Figure 2. Characterization of 20 nm OSCs. A) Electron microscopy images, B) DLS analysis of 20 nm ssOSCs, C) FTIR spectra showing S-S bands in the infrared region called the ?fingerprint? within the silica structure, D) TGA demonstrating complete elimination of the surfactant, and E) TGA comparing 20 nm OSCs and 20 nm ssOSCs.
Figura 3. Caratterizzazione di ssMSN di 20 nm. A) Immagini al microscopio elettronico B) Analisi DLS C) spettri FTIR D) ed E) TGA. Figure 3. Characterization of 20 nm ssMSNs. A) Electron microscope images B) DLS analysis C) FTIR spectra D) and E) TGA.
Figura 4. Caratterizzazione di nanocapsule degradabili funzionalizzate. A) Immagini al microscopio elettronico di NCs nude, rivestite con PEG e funzionalizzate con NH2. B) Analisi DLS C) spettri di emissione a fluorescenza e D) potenziale zeta. Figure 4. Characterization of functionalized degradable nanocapsules. A) Electron microscope images of bare, PEG-coated, and NH2-functionalized NCs. B) DLS analysis, C) fluorescence emission spectra, and D) zeta potential.
Figura 5. Silano ciclico impiegato per la funzionalizzazione positiva di NC. Figure 5. Cyclic silane used for the positive functionalization of NC.
Figura 6. Caratterizzazione di NCs degradabili funzionalizzati con il silano positivo ciclico. A) analisi DLS B) valutazione della carica superficiale del potenziale zeta, C) spettri FTIR e D) analisi TGA. Figure 6. Characterization of degradable NCs functionalized with cyclic positive silane. A) DLS analysis, B) surface charge evaluation of zeta potential, C) FTIR spectra, and D) TGA analysis.
Figura 7. Caratterizzazione delle nanoparticelle di ossido di zinco nude e ricoperte con la formulazione 3C<- >in termini di distribuzione dimensionale effettuate mediante DLS (A) e NTA (B) e potenziale zeta (C). Figure 7. Characterization of bare and coated zinc oxide nanoparticles with the 3C<- > formulation in terms of size distribution performed by DLS (A) and NTA (B) and zeta potential (C).
Figura 8. A) Analisi DLS (Dynalmic Light Scattering) e B) Misura del potenziale Zeta di nanogabbie di organosilica non funzionalizzate (ssOSCs), funzionalizzate con PEG (ssOSCs@PEG) e con gruppi NH2 (ssOSCs@NH2) tal quali e ricoperte da formulazione 2Cn e 3C-. C) Analisi DLS (Dynalmic Light Scattering) di nanogabbie di organosilica funzionalizzate con gruppi NH2 (ssOSCs-NH2) tal quali e ricoperte da formulazione 2Cn e 3C-. D) Analisi NTA (Nano Tracking Analysis) del campione ssOSCs-NH2, ricoperto da formulazione 3C-. E) Analisi FTIR di ssOSCs-NH2 e ssOSCs-NH2 ricoperte da formulazione 3C-: nel campione ricoperto, sono chiaramente visibili i picchi caratteristici dei lipidi, insieme a quelli della silice. F) valutazione termogravimetrica (TGA) di ssOSCs-NH2 e ssOSCs-NH2 ricoperte da formulazione 3C-. la perdita di peso registrata corrisponde alla quantit? di lipidi aggiunti alle nanoparticelle per la ricopertura, ovvero il 50% in massa rispetto alle nanoparticelle. Figure 8. A) Dynamic Light Scattering (DLS) analysis and B) Zeta potential measurement of unfunctionalized organosilica nanocages (ssOSCs), functionalized with PEG (ssOSCs@PEG) and with NH2 groups (ssOSCs@NH2) as is and coated with 2Cn and 3C- formulations. C) Dynamic Light Scattering (DLS) analysis of organosilica nanocages functionalized with NH2 groups (ssOSCs-NH2) as is and coated with 2Cn and 3C- formulations. D) Nano Tracking Analysis (NTA) analysis of the ssOSCs-NH2 sample, coated with 3C- formulation. E) FTIR analysis of ssOSCs-NH2 and ssOSCs-NH2 coated with 3C- formulation: in the coated sample, the characteristic peaks of the lipids are clearly visible, together with those of the silica. F) Thermogravimetric evaluation (TGA) of ssOSCs-NH2 and ssOSCs-NH2 coated with 3C- formulation. The recorded weight loss corresponds to the amount of lipids added to the nanoparticles for coating, i.e. 50% by mass with respect to the nanoparticles.
Figura 9. A) Analisi DLS (Dynalmic Light Scattering) e B) Misura del potenziale Zeta di nanocapsule di organosilica non funzionalizzate (NCs), funzionalizzate con PEG (NCs@PEG) e con gruppi NH2 (NCs@NH2) tal quali e ricoperte da formulazione 2Cn e 3C<+>. Figure 9. A) DLS (Dynalmic Light Scattering) analysis and B) Zeta potential measurement of unfunctionalized organosilica nanocapsules (NCs), functionalized with PEG (NCs@PEG) and with NH2 groups (NCs@NH2) as is and covered with 2Cn and 3C<+> formulation.
Figura 10. Caratterizzazione di nanoparticelle polimeriche tal quali e rivestite da lipidi. A) Misure di potenziale Zeta di particelle di PLGA, PLGA funzionalizzato con chitosano (PLGA-CS) e di gelatina tal quali e ricoperte dalle formulazioni 3C<+ >o 3C<- >a seconda al potenziale Zeta di partenza. B) Analisi DLS (Dynamic Light Scattering) delle particelle di PLGA tal quali e ricoperte dalla formulazione 3C<+>. C) Analisi DLS (Dynamic Light Scattering) delle particelle di Gelatina tal quali e ricoperte dalla formulazione 3C-. D) Analisi DLS (Dynamic Light Scattering) delle particelle di PLGA funzionalizzate con chitosano (PLGA-CS) e ricoperte dalla formulazione 3C-. Figure 10. Characterization of polymeric nanoparticles as is and coated with lipids. A) Zeta potential measurements of PLGA, PLGA functionalized with chitosan (PLGA-CS), and gelatin particles as is and coated with the 3C<+ >or 3C<- >formulations depending on the starting Zeta potential. B) DLS (Dynamic Light Scattering) analysis of PLGA particles as is and coated with the 3C<+> formulation. C) DLS (Dynamic Light Scattering) analysis of gelatin particles as is and coated with the 3C- formulation. D) DLS (Dynamic Light Scattering) analysis of PLGA particles functionalized with chitosan (PLGA-CS) and coated with the 3C- formulation.
Figura 11. Caratterizzazione di nanocapsule degradabili funzionalizzate con gruppi NH2 (NCs) tal quali e ricoperte da Formulazione 3C-, MIMIC1, MIMIC2 o MIMIC3. A) Analisi DLS. B) potenziale Zeta. C) Analisi NTA (Nano Tracking Analysis) NCs ricoperte da Formulazione MIMIC1. Figure 11. Characterization of degradable nanocapsules functionalized with NH2 groups (NCs) as is and coated with Formulation 3C-, MIMIC1, MIMIC2 or MIMIC3. A) DLS analysis. B) Zeta potential. C) NTA analysis (Nano Tracking Analysis) NCs coated with Formulation MIMIC1.
Figura 12. A) Analisi al TEM di ssOSCs@Calcein, B) Diametro idrodinamico delle NP caricate, C) spettri FTIR, D) grafico di assorbimento UV-VIS ed E) spettri di emissione delle NP caricate con calceina dopo l'eccitazione a 480 nm. Figure 12. A) TEM analysis of ssOSCs@Calcein, B) Hydrodynamic diameter of the loaded NPs, C) FTIR spectra, D) UV-VIS absorption plot, and E) emission spectra of the calcein-loaded NPs after excitation at 480 nm.
Figura 13. A) spettro FTIR e B) DLS e potenziale zeta di ssOSCSCalcein@NH2 rivestita con la formulazione lipidica 3C-. Figure 13. A) FTIR spectrum and B) DLS and zeta potential of ssOSCSCalcein@NH2 coated with the 3C- lipid formulation.
Figura 14. Analisi al TEM di ssOSCs@DOX, B) Diametro idrodinamico delle NP caricate, C) spettri FTIR e D) grafico di assorbimento UV-VIS. Figure 14. TEM analysis of ssOSCs@DOX, B) Hydrodynamic diameter of loaded NPs, C) FTIR spectra, and D) UV-VIS absorption plot.
Figura 15. A) spettro FTIR e B) DLS e valore di potenziale zeta di ssOSCs@DOX@NH2 rivestita con la formulazione lipidica 3C-. Figure 15. A) FTIR spectrum and B) DLS and zeta potential value of ssOSCs@DOX@NH2 coated with the 3C- lipid formulation.
Figura 16. Internalizzazione delle nanoparticelle di ossido di zinco ricoperte dalla formulazione 3C-, con e senza il peptide CKAAKN e in presenza del fluoroforo FITC, iin termini di A) eventi positivi espressi in percentuale rispetto alle cellule di controllo non trattate, e B) istogrammi delle intensit? di fluorescenza analizzati mediante citofluorimetria. Figure 16. Internalization of zinc oxide nanoparticles coated with the 3C- formulation, with and without the CKAAKN peptide and in the presence of the FITC fluorophore, in terms of A) positive events expressed as a percentage compared to untreated control cells, and B) histograms of fluorescence intensities analyzed by flow cytometry.
Figura 17. Valutazione su cellule HT-29 (linea di tumore colorettale) di: A) citotossicit? delle particelle di ossido di zinco tal quali e ricoperte da formulazione 3C<- >e bioconiugate con il peptide di targeting YSA mediante WST1 assay, B) Internalizzazione delle particelle di ossido di zinco ricoperte da formulazione 3C-, bioconiugate o meno con il peptide di targeting YSA. La valutazione ? stata effettuata mediante citofluorimetria. C) Emocompatibilit? su campione di plasma umano di nanoparticelle di ossido di zinco tal quali e ricoperte da formulazione 3C-, bioconiugate o meno con il peptide di targeting YSA. La valutazione ? stata effettuata calcolando il tempo di coagulazione del plasma citrato, ricavato a partire dalle curve di assorbimento di emissione UV-visibile. Figure 17. Evaluation on HT-29 cells (colorectal tumor cell line) of: A) cytotoxicity of zinc oxide particles as is and coated with 3C<- > formulation and bioconjugated with the YSA targeting peptide by WST1 assay, B) Internalization of zinc oxide particles coated with 3C- formulation, bioconjugated or not with the YSA targeting peptide. The evaluation was carried out by flow cytometry. C) Hemocompatibility on a human plasma sample of zinc oxide nanoparticles as is and coated with 3C- formulation, bioconjugated or not with the YSA targeting peptide. The evaluation was carried out by calculating the clotting time of citrated plasma, obtained from the UV-visible emission absorption curves.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Oggetto della presente invenzione sono nanoparticelle rivestite caricate con agenti diagnostici o terapeutici, in grado di raggiungere le cellule bersaglio, all?interno delle quali rilasciano il loro contenuto (carico). The object of the present invention are coated nanoparticles loaded with diagnostic or therapeutic agents, capable of reaching target cells, inside which they release their contents (cargo).
La nanoparticella rivestita per il trasporto di agenti terapeutici o diagnostici, secondo l?invenzione, consiste in un nucleo e un rivestimento lipidico, in cui detto nucleo ? una nanoparticella di materiale organico o inorganico allo stato solido o semisolido e detto rivestimento lipidico ? una formulazione di lipidi carichi, lipidi neutri, colesterolo, lipidi funzionalizzati con PEG, fosfolipidi e/o sfingomielina, dove detta formulazione ? scelta nel gruppo comprendente: The coated nanoparticle for the delivery of therapeutic or diagnostic agents, according to the invention, consists of a core and a lipid coating, wherein said core is a nanoparticle of organic or inorganic material in the solid or semi-solid state and said lipid coating is a formulation of charged lipids, neutral lipids, cholesterol, PEG-functionalized lipids, phospholipids and/or sphingomyelin, where said formulation is selected from the group comprising:
(i) formulazione contenente da 45,0 a 65,0% di 1,2-dioleoil-3-trimetilammoniopropano (DOTAP+) o di 1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfato (DOPA-); da 7,0 a 15,0% di 1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfocolina (DOPC); da 15,0 a 35,0% di colesterolo; da 1,0 a 10% di 1,2-distearoil-sn-glicero-3-fosfoetanolammina-N-[amino(polietileneglicol)-2000 (DSPE-PEG(2000)-ammina) ed eventualmente da 0,1 a 0,6% di 1,2-distearoil-sn-glicero-3-fosfoetanolammina-N-[maleimmide(polietilene glicol)-2000 (DSPE-PEG(2000)-maleimmide); (i) formulation containing 45.0 to 65.0% 1,2-dioleoyl-3-trimethylammoniumpropane (DOTAP+) or 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphate (DOPA-); 7.0 to 15.0% 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC); 15.0 to 35.0% cholesterol; from 1.0 to 10% of 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[amino(polyethylene glycol)-2000 (DSPE-PEG(2000)-amine) and optionally from 0.1 to 0.6% of 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[maleimide(polyethylene glycol)-2000 (DSPE-PEG(2000)-maleimide);
(ii) formulazione contenente da 10,0 a 35,0% di colesterolo; da 8,0 a 32% di sfingomielina (SM); da 11,0 a 21,0% di DSPE-PEG(2000)-ammina; da 18,0 a 34,0% DOPC; da 15,0 a 35,0% DOPA; (ii) formulation containing 10.0 to 35.0% cholesterol; 8.0 to 32% sphingomyelin (SM); 11.0 to 21.0% DSPE-PEG(2000)-amine; 18.0 to 34.0% DOPC; 15.0 to 35.0% DOPA;
(iii) formulazione contenente da 10,0 a 35,0% colesterolo; da 8,0 a 32% SM; da 11,0 a 21,0% DSPE-PEG (PEG(2000)-ammina); da 18,0 a 34,0% di DOPC; da 15,0 a 35,0% di PS; (iii) formulation containing 10.0 to 35.0% cholesterol; 8.0 to 32% SM; 11.0 to 21.0% DSPE-PEG (PEG(2000)-amine); 18.0 to 34.0% DOPC; 15.0 to 35.0% PS;
(iv) formulazione contenente da 10,0 a 35,0% colesterolo; da 8,0 a 32% sfingomielina (SM); da 5,0 a 15,0% DSPE-PEG(2000)-ammina; da 1,0 a 11,0% fosfatidiletanolammina (PE); 18,0 a 34,0% DOPC; da 15,0 a 35,0% di fosfatidilserina (PS); (iv) formulation containing 10.0 to 35.0% cholesterol; 8.0 to 32% sphingomyelin (SM); 5.0 to 15.0% DSPE-PEG(2000)-amine; 1.0 to 11.0% phosphatidylethanolamine (PE); 18.0 to 34.0% DOPC; 15.0 to 35.0% phosphatidylserine (PS);
dove dette percentuali sono riferite al peso totale del rivestimento lipidico, e in cui il nucleo di detta nanoparticella rivestita o un componente del nucleo possiede di per s? attivit? terapeutica o diagnostica oppure il nucleo di detta nanoparticella rivestita ? caricato con un agente diagnostico o terapeutico. where said percentages refer to the total weight of the lipid coating, and wherein the core of said coated nanoparticle or a component of the core possesses therapeutic or diagnostic activity per se or the core of said coated nanoparticle is loaded with a diagnostic or therapeutic agent.
L?uso delle nanoparticelle rivestite dell?invenzione, rispetto alle sole EVs naturali o ai pi? comuni liposomi, conferisce elevata efficacia di caricamento delle biomolecole, una consegna mirata del carico alla cellula target, una dissoluzione completa ed il conseguente rilascio, innescato da stimoli endogeni gi? presenti nella cellula ricevente, oltre che una minore complessit? rispetto alla loro controparte naturale. The use of the coated nanoparticles of the invention, compared to natural EVs alone or the more common liposomes, provides high biomolecule loading efficiency, targeted delivery of the cargo to the target cell, complete dissolution and subsequent release, triggered by endogenous stimuli already present in the recipient cell, as well as lower complexity than their natural counterparts.
In modalit? preferite di realizzazione dell?invenzione, detta nanoparticella rivestita ha un rivestimento lipidico scelto tra le seguenti formulazioni: In preferred embodiments of the invention, said coated nanoparticle has a lipid coating selected from the following formulations:
(a) formulazione (i) contenente DOPA(-) 57,3%; DOPC 12,5%; colesterolo 23,6%; DSPE-PEG(2000)-ammina 6,6%; (a) formulation (i) containing DOPA(-) 57.3%; DOPC 12.5%; cholesterol 23.6%; DSPE-PEG(2000)-amine 6.6%;
(b) formulazione (ii) contenente DOTAP(+) 56,5%; DOPC 12,7%; colesterolo 24%; DSPE-PEG(2000)-ammina 6,7%; (b) formulation (ii) containing DOTAP(+) 56.5%; DOPC 12.7%; cholesterol 24%; DSPE-PEG(2000)-amine 6.7%;
(c) formulazione (iii) contenente colesterolo 13%; SM 20%; DSPE-PEG(2000)-ammina 16%; DOPC 26%; DOPA 25%; (c) formulation (iii) containing cholesterol 13%; SM 20%; DSPE-PEG(2000)-amine 16%; DOPC 26%; DOPA 25%;
(d) formulazione (iv) contenente colesterolo 30%; SM 16%; DSPE-PEG(2000)-ammina 13%; DOPC 21%; DOPA 20%; (d) formulation (iv) containing cholesterol 30%; SM 16%; DSPE-PEG(2000)-amine 13%; DOPC 21%; DOPA 20%;
(e) formulazione (v) contenente colesterolo 13%; SM 20%; DSPE-PEG(2000)-ammina 16%; DOPC 26%; PS 25%; (e) formulation (v) containing cholesterol 13%; SM 20%; DSPE-PEG(2000)-amine 16%; DOPC 26%; PS 25%;
(f) formulazione (vi) contenente colesterolo 30%; SM 16%; DSPE-PEG(2000)-ammina 13%; DOPC 21%; PS 20%; (f) formulation (vi) containing cholesterol 30%; SM 16%; DSPE-PEG(2000)-amine 13%; DOPC 21%; PS 20%;
(g) formulazione (vii) contenente colesterolo 13%; SM 20%; DSPE-PEG(2000)-ammina 10%; PE 6%; DOPC 26%; PS 25%; (g) formulation (vii) containing cholesterol 13%; SM 20%; DSPE-PEG(2000)-amine 10%; PE 6%; DOPC 26%; PS 25%;
(h) formulazione (viii) contenente colesterolo 30%; SM 16,0%; DSPE-PEG(2000)-ammina 8%; PE 5%; DOPC 21%; PS 20%. (h) formulation (viii) containing cholesterol 30%; SM 16.0%; DSPE-PEG(2000)-amine 8%; PE 5%; DOPC 21%; PS 20%.
Un vantaggio di queste formulazioni ? la doppia funzione del lipide con gruppo PEG, cio? quella di: (i) stabilizzare il rivestimento della nanoparticella in ambiente acquoso e fisiologico, garantendo una maggiore circolazione e di conseguenza massimizzando la probabilit? di arrivare al tessuto bersaglio proteggendo il contenuto da degradazione; (ii) consentire l?aggraffaggio tramite semplici reazioni chimiche di peptidi e frammenti di anticorpi, permettendo una personalizzazione molto variegata del guscio a seconda dell?utilizzo; (iii) conferire la cosiddetta propriet? ?stealth? alle nanoparticelle, ovvero evitarne l?immediato riconoscimento da parte del sistema immunitario e quindi la risposta da corpo estraneo. An advantage of these formulations is the dual function of the lipid with a PEG group, namely: (i) stabilizing the nanoparticle coating in an aqueous and physiological environment, ensuring greater circulation and consequently maximizing the probability of reaching the target tissue while protecting the contents from degradation; (ii) allowing for grafting through simple chemical reactions of peptides and antibody fragments, permitting a highly varied customization of the shell depending on the use; (iii) conferring the so-called "stealth" property to the nanoparticles, that is, avoiding their immediate recognition by the immune system and therefore the foreign body response.
In un aspetto preferito, il rivestimento lipidico della nanoparticella ? legato a una o pi? molecole per il riconoscimento di cellule tessuti o organi bersaglio, quali proteine, anticorpi, frammenti di anticorpi, sequenze di peptidi, molecole di carboidrati, zuccheri, aptameri o altre sequenze di acidi nucleici. In a preferred embodiment, the lipid coating of the nanoparticle is linked to one or more molecules for the recognition of target cells, tissues, or organs, such as proteins, antibodies, antibody fragments, peptide sequences, carbohydrate molecules, sugars, aptamers, or other nucleic acid sequences.
L?invenzione rende inoltre disponibile un metodo per preparare una formulazione lipidica idonea al rivestimento delle nanoparticelle, che comprende i seguenti passaggi: The invention also provides a method for preparing a lipid formulation suitable for coating nanoparticles, which comprises the following steps:
(i) acquisizione della composizione naturale degli acidi grassi e delle teste polari dei lipidi, con metodi comprendenti la lipidomica, appartenenti a una vescicola extracellulare, biovescicola, nanovescicola, ectosoma, derivante da uno specifico tessuto, organo, liquido biologico, cellula primaria, linea cellulare immortalizzata; (i) acquisition of the natural composition of fatty acids and polar head groups of lipids, by methods including lipidomics, belonging to an extracellular vesicle, biovesicle, nanovesicle, ectosome, derived from a specific tissue, organ, biological fluid, primary cell, immortalized cell line;
(ii) le famiglie di fosfolipidi presenti, la cui somma in quantit? in massa deve costituire il 100%, sono suddivise in due gruppi: il primo a seconda della natura delle teste polari e il secondo in base alla natura degli acidi grassi che costituiscono le catene idrofobiche dei fosfolipidi; (ii) the families of phospholipids present, whose sum in mass quantity must constitute 100%, are divided into two groups: the first according to the nature of the polar heads and the second according to the nature of the fatty acids that constitute the hydrophobic chains of the phospholipids;
(iii) fatta 100 la quantit? in massa totale di acidi grassi presenti divisi per classi, vengono trascurate le quantit? di acidi grassi inferiori all?1.5% in percentuale di massa; (iii) taking the total mass quantity of fatty acids present divided by class as 100, quantities of fatty acids less than 1.5% by mass percentage are ignored;
(iv) le percentuali dei restanti acidi grassi vengono ribilanciate, ridistribuendo la percentuale corrispondente al totale dei fosfolipidi trascurati alla percentuale dei fosfolipidi selezionati in maniera pesata (in rapporto alla loro percentuale iniziale), e portate alla somma totale di 100% in massa; detta formulazione viene quindi considerata la formulazione di riferimento; (iv) the percentages of the remaining fatty acids are rebalanced by redistributing the percentage corresponding to the total of the neglected phospholipids to the percentage of the selected phospholipids in a weighted manner (in relation to their initial percentage), and brought to the total sum of 100% by mass; this formulation is then considered the reference formulation;
(v) ad ogni famiglia di fosfolipidi (del primo gruppo) presenti nella detta formulazione di riferimento, vengono attribuiti gli esemplari di fosfolipidi pi? prossimi disponibili commercialmente, rispettando ove possibile la presenza di catene di acidi grassi saturi, mono- e poli-insaturi, la lunghezza delle catene di acidi grassi, la polarit? e carica delle teste polari; (v) each family of phospholipids (of the first group) present in the said reference formulation is assigned the closest commercially available phospholipid specimens, respecting where possible the presence of saturated, mono- and polyunsaturated fatty acid chains, the length of the fatty acid chains, the polarity and charge of the polar heads;
(vi) vengono aggiunti ulteriori componenti quali le fosfatidil-etanolammina monoinsature, presenti nella forma PEGilata DSPE-PEG con gruppo funzionale amino e/o maleimide, nella quantit? di massimo 1,5% in massa, a discapito di altri componenti della medesima famiglia fosfolipidica, se presente, in modo da mantenere la percentuale totale di fosfolipidi pari a 100%; alternativamente, queste ulteriori componenti possono essere aggiunte, ribilanciando tutte le altre specie, togliendo in maniera pesata (in rapporto alla loro percentuale iniziale) a ciascun componente la corrispettiva parte della percentuale del componente aggiuntivo per ottenere il 100% di massa totale in lipidi; (vi) additional components are added, such as monounsaturated phosphatidylethanolamine, present in the PEGylated DSPE-PEG form with an amino and/or maleimide functional group, in a maximum quantity of 1.5% by mass, to the detriment of other components of the same phospholipid family, if present, so as to maintain the total percentage of phospholipids equal to 100%; alternatively, these additional components can be added, rebalancing all the other species, by removing in a weighted manner (in relation to their initial percentage) from each component the corresponding part of the percentage of the additional component to obtain 100% of total lipid mass;
(vii) viene aggiunto il colesterolo alla formulazione, in una quantit? variabile dal 13 al 30%, ottenendo quindi la composizione finale della formulazione considerata la formulazione biomimetica, che viene utilizzata per il rivestimento delle nanoparticelle. (vii) Cholesterol is added to the formulation, in an amount ranging from 13 to 30%, thus obtaining the final composition of the formulation considered the biomimetic formulation, which is used for coating the nanoparticles.
In un aspetto dell?invenzione, il nucleo della nanoparticella rivestita secondo l?invenzione ? scelto tra nanoparticelle di silice, organosilice, ossido metallico, nanozima, semiconduttore, perovskite, quantum dots, materiale semiconduttore, metal organic framewok (MOF), covalent organic frameworks (COFs), nanoparticella a base di carbonio, in particolare nanoonion e fullerene, polimero naturale o sintetico, in particolare gelatina e PLGA e idrogelo; preferibilmente detto nucleo ? un?organosilice o un ossido metallico, dove detto ossido metallico ? preferibilmente ossido di zinco. In one aspect of the invention, the core of the coated nanoparticle according to the invention is selected from silica nanoparticles, organosilica, metal oxide, nanozyme, semiconductor, perovskite, quantum dots, semiconductor material, metal organic frameworks (MOFs), covalent organic frameworks (COFs), carbon-based nanoparticles, in particular nanoonions and fullerenes, natural or synthetic polymers, in particular gelatin and PLGA, and hydrogel; preferably said core is an organosilica or a metal oxide, where said metal oxide is preferably zinc oxide.
Il nucleo pu? svolgere di per s? la funzione di agente terapeutico, diagnostico o teranostico, come nel caso di una nanoparticella formata da ossido di zinco, in grado di causare un effetto tossico mediante attivazione con ultrasuoni. In alternativa, il nucleo pu? contenere e trasportare un agente (cargo) terapeutico, diagnostico o teranostico che, a seguito di un meccanismo esogeno o endogeno, viene rilasciato, solitamente tramite la disgregazione del nucleo stesso. The nucleus itself may function as a therapeutic, diagnostic, or theranostic agent, as in the case of a zinc oxide nanoparticle capable of inducing a toxic effect through ultrasound activation. Alternatively, the nucleus may contain and transport a therapeutic, diagnostic, or theranostic agent (cargo), which is released through an exogenous or endogenous mechanism, usually through the disintegration of the nucleus itself.
In un aspetto preferito, il nucleo ? una nanoparticella di organosilice porosa scelta tra silice mesoporosa, nanogabbia di organosilice e nanocapsula di organosilice. In a preferred embodiment, the core is a porous organosilica nanoparticle chosen from mesoporous silica, organosilica nanocage, and organosilica nanocapsule.
L?organosilice porosa presenta diverse propriet? utili: i) ha un?alta porosit?, ii) un?ampia superficie, iii) i pori sono uniformi e facilmente modificabili in termini di diametro; infine, iv) ? altamente biocompatibile. Porous organosilica exhibits several useful properties: i) it has high porosity, ii) a large surface area, iii) the pores are uniform and easily adjustable in diameter; finally, iv) it is highly biocompatible.
In un ulteriore aspetto preferito, l?organosilice incorpora gruppi disolfuro -S-S-, che vengono scissi in presenza di enzimi o agenti riducenti, consentendo quindi la cessione del carico terapeutico o diagnostico. In a further preferred aspect, the organosilica incorporates -S-S- disulfide groups, which are cleaved in the presence of enzymes or reducing agents, thereby allowing the delivery of the therapeutic or diagnostic payload.
Inoltre, l?organosilice pu? essere funzionalizzata con alchili silani lineari o ciclici, che aumentando il potenziale zeta dell?organosilice favoriscono il successivo attacco della formulazione lipidica, in particolare il seguente silano cicloottano di formula (I): Furthermore, the organosilica can be functionalized with linear or cyclic alkyl silanes, which by increasing the zeta potential of the organosilica favor the subsequent attack of the lipid formulation, in particular the following cyclooctane silane of formula (I):
Preferibilmente, il nucleo della nanoparticella rivestita secondo l?invenzione ha un diametro idrodinamico variabile da 20 a 200 nm ed un potenziale z positivo. Preferably, the core of the coated nanoparticle according to the invention has a hydrodynamic diameter ranging from 20 to 200 nm and a positive z-potential.
In un ulteriore aspetto dell?invenzione, il nucleo della nanoparticella rivestita secondo l?invenzione ? caricato con un agente terapeutico scelto tra farmaci antitumorali, antibiotici, antifiammatori, ormoni, proteine, enzimi, acidi nucleici, peptidi; o con un agente diagnostico scelto tra coloranti organici fluorescenti, agenti di contrasto per risonanza magnetica nucleare e isotopi per PET (Positron Emission Tomography). In a further aspect of the invention, the core of the coated nanoparticle according to the invention is loaded with a therapeutic agent selected from anticancer drugs, antibiotics, anti-inflammatory drugs, hormones, proteins, enzymes, nucleic acids, peptides; or with a diagnostic agent selected from organic fluorescent dyes, nuclear magnetic resonance contrast agents, and isotopes for PET (Positron Emission Tomography).
Alcuni esempi di farmaci particolarmente adatti ad essere trasportati all?interno del nucleo della nanoparticella comprendono antitumorali, antibiotici, antifiammatori, corticosteroidi, inibitori, biomolecole, proteine, enzimi, acidi nucleici. Some examples of drugs particularly suitable for transport within the core of the nanoparticle include anticancer drugs, antibiotics, anti-inflammatory drugs, corticosteroids, inhibitors, biomolecules, proteins, enzymes, nucleic acids.
La nanoparticella rivestita secondo l?invenzione, caricata con l?agente terapeutico o diagnostico, pu? essere utilizzata in un metodo di trattamento terapeutico o diagnostico che prevede la somministrazione di detta nanoparticella in un soggetto che necessita di tale trattamento. The coated nanoparticle according to the invention, loaded with the therapeutic or diagnostic agent, can be used in a therapeutic or diagnostic treatment method involving the administration of said nanoparticle to a subject requiring such treatment.
Le malattie che possono essere trattate in modalit? terapeutica o diagnostica secondo l?invenzione includono la malattia tumorale, in particolare i tumori al colon-retto, pancreas (PDAC- Pancreatic Ductal AdenoCarcinoma), cervice uterina, osteosarcoma, leucemia, linfoma, mieloma multiplo, mammella, melanoma; neurologica, come il morbo di Parkinson, la malattia di Alzheimer, la sclerosi multipla, la malattia di Huntington. Diseases that can be treated therapeutically or diagnostically according to the invention include cancer, particularly colorectal cancer, pancreatic (PDAC-Pancreatic Ductal Adenocarcinoma), cervical cancer, osteosarcoma, leukemia, lymphoma, multiple myeloma, breast cancer, and melanoma; and neurological diseases, such as Parkinson's disease, Alzheimer's disease, multiple sclerosis, and Huntington's disease.
Ulteriore oggetto dell?invenzione ? un sistema per il trasporto (delivery) di un agente terapeutico o diagnostico a una cellula, tessuto o organo bersaglio, che comprende una nanoparticella secondo l?invenzione. A further object of the invention is a system for the delivery of a therapeutic or diagnostic agent to a target cell, tissue or organ, which comprises a nanoparticle according to the invention.
Ulteriore oggetto dell?invenzione ? una composizione diagnostica, terapeutica o teranostica comprendente una nanoparticella rivestita secondo l?invenzione, insieme a veicoli o eccipienti farmaceuticamente accettabili. A further object of the invention is a diagnostic, therapeutic or theranostic composition comprising a coated nanoparticle according to the invention, together with pharmaceutically acceptable carriers or excipients.
ESEMPI EXAMPLES
Esempio 1 - Organosilici a nanogabbie (OSCs) 10 nm Example 1 - 10 nm Organosilica Nanocages (OSCs)
La sintesi del nanomateriale ? avvenuta aggiungendo 0,23 mmol di CTAB e 2 ml di soluzione acquosa di idrossido di ammonio 0,02 M in 8 ml di acqua distillata (dH2O). Quindi la soluzione ? stata agitata a 30?C per 30 minuti fino a completa dissoluzione del CTAB. Successivamente, 0,43 mmol di TMOS e 0,215 mmol di BDTS (in caso di NP degradabili grazie alla presenza di legami S-S) sono stati aggiunti alla soluzione sotto vigorosa agitazione e la soluzione ? stata ulteriormente agitata a 30?C per 24 ore. Nella fase successiva, la temperatura ? stata aumentata da 30?C a 80?C e quindi agitata a 80?C per altre 24 ore. Successivamente, la soluzione ? stata raffreddata a temperatura ambiente e poi ? stata dializzata in 100 ml di soluzione acida (miscela di etanolo, dH2O e acido acetico con il rapporto volumetrico 1:1:0.007) per 24 ore per eliminare CTAB dai pori delle particelle. Questo processo ? stato ripetuto tre volte. La soluzione ? stata quindi dializzata in 2 l di dH2O per altre 24 ore. La Figura 1 include la caratterizzazione delle OSCs con taglia inferiore a 10 nm. Le immagini al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) hanno rivelato la presenza di un singolo poro in nanoparticelle inferiori a 10 nm (Figura 1A). Secondo i risultati TEM, le nanoparticelle mostrano un diametro di 9.3 nm, un diametro idrodinamico di 12 analizzato da DLS e un potenziale zeta negativo (Figura 1B). Al fine di verificare la corretta eliminazione del tensioattivo impiegato durante la strategia di sintesi e la presenza dei legami S-S che forniscono all?NPS propriet? di degradabilit?, sono state eseguite analisi FTIR (Figura 1C) e analisi TGA (Figura 1D). Le ssOSCs hanno mostrato un tipico spettro caratteristico delle OSCs con i picchi Si-OH (3445 cm<-1>) Si-O-Si (1077 cm<-1>) Si-OH (947 cm<-1>) e C-H (805 cm<-1>) caratteristici della struttura di organosilice. La presenza dei legami S-S nella struttura della silice ? stata confermata da analisi FTIR e TGA. Quando l?S-S ? stato incorporato nella struttura della silice, sono stati osservati picchi intorno a 2900 e 1500 cm<-1 >negli spettri FTIR (Figura 1C). L?analisi TGA indica che tutto il CTAB impiegato nella sintesi ? stato completamente eliminato e permette di quantificare la quantit? di gruppi degradabili introdotti nella struttura di organosilice (circa il 20%). The nanomaterial was synthesised by adding 0.23 mmol CTAB and 2 ml of 0.02 M ammonium hydroxide aqueous solution to 8 ml of distilled water (dH2O). The solution was then stirred at 30°C for 30 minutes until the CTAB was completely dissolved. Subsequently, 0.43 mmol TMOS and 0.215 mmol BDTS (in case of degradable NPs due to the presence of S-S bonds) were added to the solution under vigorous stirring, and the solution was further stirred at 30°C for 24 hours. In the next step, the temperature was increased from 30°C to 80°C and then stirred at 80°C for another 24 hours. Subsequently, the solution was cooled to room temperature and then stirred at 80°C for 24 hours. The solution was dialyzed in 100 mL of acidic solution (a mixture of ethanol, dH2O, and acetic acid with a volume ratio of 1:1:0.007) for 24 hours to eliminate CTAB from the particle pores. This process was repeated three times. The solution was then dialyzed in 2 L of dH2O for another 24 hours. Figure 1 includes the characterization of OSCs with a size smaller than 10 nm. Transmission electron microscopy (TEM) images revealed the presence of a single pore in nanoparticles smaller than 10 nm (Figure 1A). According to TEM results, the nanoparticles exhibit a diameter of 9.3 nm, a hydrodynamic diameter of 12 as analyzed by DLS, and a negative zeta potential (Figure 1B). In order to verify the correct elimination of the surfactant used during the synthesis strategy and the presence of S-S bonds that provide the NPS with their unique properties, a 3D model was performed. To determine degradability, FTIR analysis (Figure 1C) and TGA analysis (Figure 1D) were performed. The ssOSCs showed a typical OSC spectrum with Si-OH (3445 cm<-1>), Si-O-Si (1077 cm<-1>), Si-OH (947 cm<-1>), and C-H (805 cm<-1>) peaks characteristic of the organosilica structure. The presence of S-S bonds in the silica structure was confirmed by FTIR and TGA analysis. When S-S was incorporated into the silica structure, peaks around 2900 and 1500 cm<-1 >were observed in the FTIR spectra (Figure 1C). TGA analysis indicates that all CTAB used in the synthesis was completely eliminated and allows quantifying the amount of degradable groups introduced into the organosilica structure (about 20%).
Esempio 2 - Organosilici a nanogabbie (OSCs) 20 nm Example 2 - 20 nm Organosilica Nanocages (OSCs)
In un pallone di vetro a fondo tondo da 100 ml, dotata di barra di agitazione magnetica, il CTAB (408 mg, 1,12 mmol) ? stato sciolto in acqua deonizzata (50 ml) a 50?C, agitando la soluzione per 30 minuti a 250 rpm. ? stata aggiunta ammoniaca (12,5 ?L, 28% in acqua) e la velocit? di agitazione ? stata aumentata a 750 rpm. Successivamente ? stata aggiunta una soluzione di TEOS (448,1 ?L, 2 mmol) e la miscela ? stata agitata per 20 ore a 50?C, a 750 rpm. La dispersione di particelle ? stata <purificata >mediante dialisi in una miscela EtOH/H2O/AcOH (1:1:0,007 v/v/v) per 24 ore e infine in una miscela EtOH/H2O (1:1 v/v) per altre 24 ore in cui la soluzione di dialisi ? stata <sostituita ogni 2 ore, quando >possibile. Per avere particelle degradabili tramite legame S-S ? stato aggiunto anche BTDS (102,8 ?L, 0,223 mmol) alla sintesi. Le immagini di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) hanno rivelato la presenza di un singolo poro nelle nanoparticelle a forma di gabbia di 20 nm (Figura 2A). Secondo i risultati TEM, le nanoparticelle hanno mostrato un diametro di 21.3 nm, mentre questo ? di circa 18 nm se analizzato tramite DLS (diametro idrodinamico, Figura 2B) e un potenziale zeta negativo -10,98 mV. Al fine di verificare la corretta eliminazione del tensioattivo impiegato durante la strategia di sintesi e la presenza dei legami S-S che forniscono alle OSCs propriet? di degradabilit?, sono state eseguite analisi FTIR (Figura 2C) e analisi TGA (Figura 2D). Le ssOSCs hanno mostrato un tipico spettro caratteristico con picchi Si-OH (3445 cm<-1>), Si-O-Si (1077 cm<-1>) Si-OH (947 cm<-1>) e C-H (805 cm<-1>) rappresentativi della struttura di organosilice. La presenza dei legami S-S nella struttura di silice ? stata confermata da FTIR e TGA. Quando l?S-S ? stato incorporato nella struttura della silice, sono stati osservati picchi intorno a 2900 e 1500 cm<-1 >negli spettri FTIR (Figura 2C). L?analisi TGA indica che tutto il CTAB impiegato nell?approccio di sintesi ? stato completamente eliminato e consente di quantificare la quantit? di gruppi degradabili introdotti nella struttura di silice (di nuovo, circa il 20%, Figura 2E). In a 100 ml round-bottom glass flask equipped with a magnetic stirrer, CTAB (408 mg, 1.12 mmol) was dissolved in deionized water (50 ml) at 50°C, stirring the solution for 30 min at 250 rpm. Ammonia (12.5 μL, 28% in water) was added and the stirring speed was increased to 750 rpm. Subsequently, TEOS solution (448.1 μL, 2 mmol) was added and the mixture was stirred for 20 h at 50°C, at 750 rpm. The particle dispersion was observed. was purified by dialysis in an EtOH/H2O/AcOH mixture (1:1:0.007 v/v/v) for 24 h and finally in an EtOH/H2O mixture (1:1 v/v) for another 24 h where the dialysis solution was replaced every 2 h, when possible. To obtain particles degradable via S-S bonding, BTDS (102.8 μL, 0.223 mmol) was also added to the synthesis. Transmission electron microscopy (TEM) images revealed the presence of a single pore in the 20 nm cage-shaped nanoparticles (Figure 2A). According to the TEM results, the nanoparticles showed a diameter of 21.3 nm, while this was approximately 18 nm when analyzed by DLS (hydrodynamic diameter, Figure 2B) and a negative zeta potential of -10.98 mV. In order to verify the correct elimination of the surfactant used during the synthesis strategy and the presence of S-S bonds that provide OSCs with degradable properties, FTIR analysis (Figure 2C) and TGA analysis (Figure 2D) were performed. The ssOSCs showed a typical characteristic spectrum with Si-OH (3445 cm<-1>), Si-O-Si (1077 cm<-1>), Si-OH (947 cm<-1>), and C-H (805 cm<-1>) peaks representative of the organosilica structure. The presence of S-S bonds in the silica structure was confirmed by FTIR and TGA. When S-S was incorporated into the silica structure, peaks around 2900 and 1500 cm<-1 >were observed in the FTIR spectra (Figure 2C). TGA analysis indicates that all the CTAB used in the synthesis approach was present in the silica structure. has been completely eliminated and allows to quantify the amount of degradable groups introduced into the silica structure (again, about 20%, Figure 2E).
Esempio 3 - Organosilici mesoporose (ssMSN) di 20 nm Example 3 - 20 nm mesoporous organosilicates (ssMSNs)
In un pallone a fondo tondo (250 ml), il CTAB (816 mg) ? stato sciolto in una soluzione di dH2O (100 ml), la soluzione ? stata riscaldata a 50?C e agitata (tra 500-750 rpm). per 30 min. Quindi, 25 ?L di NH4OH al 28%, seguiti da 1 mL di TEOS sono stati <aggiunti consecutivamente nella soluzione. Dopo 12 h >di reazione a 50?C (con pallone chiuso) la soluzione ? stata raffreddata a temperatura ambiente e quindi trasferita in una membrana per dialisi tubolare. La soluzione ? stata dializzata in 1 l di soluzione acida (miscela di dH2O, etanolo e acido acetico con il rapporto volumetrico 1:1:0.007) per 24 ore per estrarre il CTAB dai pori delle particelle. La soluzione ? stata quindi dializzata in <2 l di dH>2<O per altre 24 ore. >Questo processo ? stato nuovamente ripetuto per tre volte. Per avere particelle degradabili tramite gruppi S-S ? stato aggiunto anche il BTDS (241 ?L, 0.526 mmol). L?analisi TEM ha confermato la sintesi di ssMSN da 20 nm (Figura 3A). La DLS ha permesso di rilevare un diametro idrodinamico medio di 21 nm con una distribuzione gaussiana che conferma la buona stabilit? colloidale della sospensione di particelle. Le misurazioni del potenziale zeta sono state registrate in acqua, ottenendo un potenziale zeta negativo caratteristico della silice (-8 mV). Il diametro idrodinamico ottenuto conferma la dimensione attesa di 20 nm per le ssMSN (Figura 3B). Dall?analisi FTIR (Figura 3C) sono state osservate le bande caratteristiche di Si-OH (3445 cm<-1>), Si-O-Si (1077 cm<-1>), Si-OH (947 cm<-1>) e C-H (805 cm<-1>) e si pu? confermare che tutto il CTAB (tensioattivo impiegato durante la sintesi) ? stato completamente eliminato. L?analisi TGA (Figura 3D), ha rivelato che quasi il 100% della massa delle MSN corrisponde a composti inorganici, e quindi alla silice. Questo risultato ha confermato ancora una volta la completa eliminazione del tensioattivo impiegato durante la sintesi. Come i campioni precedenti, le MSN sono state sintetizzate sia in presenza che in assenza di legami disolfuro all?interno della loro struttura. La presenza dei legami S-S nella struttura della silice ? stata confermata da FTIR e TGA (Figura 3D ed E). Quando la S-S ? stata incorporata nella struttura di silice, sono stati osservati picchi intorno a 2900 e 1500 cm<-1 >negli spettri FTIR (Figura 3C). Inoltre, i risultati del TGA hanno dimostrato che quando l'S-S ? stato incorporato nelle MSN, ? stata osservata una diminuzione del peso del campione di ssMSN intorno a 400?C, corrispondente a circa il 15% della massa del campione. Questa diminuzione non ? stata attribuita al CTAB, che ha una temperatura di combustione pi? bassa, bens? alla presenza dei gruppi disolfuro S-S (linea grigia nel grafico della Figura 3E). In a round-bottom flask (250 mL), CTAB (816 mg) was dissolved in dH2O solution (100 mL), the solution was heated to 50°C and stirred (500–750 rpm) for 30 min. Then, 25 mL of 28% NH4OH, followed by 1 mL of TEOS were added consecutively into the solution. After 12 h of reaction at 50°C (with the flask closed), the solution was cooled to room temperature and then transferred to a tubular dialysis membrane. The solution was dialyzed in 1 L of acidic solution (mixture of dH2O, ethanol, and acetic acid with the volume ratio 1:1:0.007) for 24 h to extract CTAB from the pores of the particles. The solution was The ssMSN was then dialyzed in <2 L of dH>2<O for another 24 h. This process was repeated three times. To obtain particles degradable by S-S groups, BTDS (241 μL, 0.526 mmol) was also added. TEM analysis confirmed the synthesis of 20 nm ssMSNs (Figure 3A). DLS revealed an average hydrodynamic diameter of 21 nm with a Gaussian distribution confirming the good colloidal stability of the particle suspension. Zeta potential measurements were recorded in water, yielding a negative zeta potential characteristic of silica (-8 mV). The obtained hydrodynamic diameter confirms the expected size of 20 nm for ssMSNs (Figure 3B). FTIR analysis (Figure 3C) revealed the characteristic bands of Si-OH (3445 cm<-1>), Si-O-Si (1077 cm<-1>), Si-OH (947 cm<-1>), and C-H (805 cm<-1>) and confirmed that all CTAB (surfactant used during the synthesis) was completely eliminated. TGA analysis (Figure 3D) revealed that almost 100% of the mass of the MSNs corresponded to inorganic compounds, and therefore to silica. This result once again confirmed the complete elimination of the surfactant used during the synthesis. Like the previous samples, the MSNs were synthesized both in the presence and absence of disulfide bonds within their structure. The presence of S-S bonds in the silica structure was confirmed by FTIR and TGA (Figure 3D and E). When the S-S was present, the MSNs were synthesized in the presence and absence of disulfide bonds. When S-S was incorporated into the silica structure, peaks around 2900 and 1500 cm<-1 > were observed in the FTIR spectra (Figure 3C). Furthermore, TGA results showed that when S-S was incorporated into MSNs, a decrease in the weight of the ssMSN sample was observed around 400°C, corresponding to approximately 15% of the sample mass. This decrease was not attributed to CTAB, which has a lower combustion temperature, but rather to the presence of the S-S disulfide groups (gray line in the graph of Figure 3E).
Esempio 4 - Nanocapsule (NCs) Example 4 - Nanocapsules (NCs)
Le nanocapsule ibride degradabili di organosilice sono state sintetizzate utilizzando il processo St?ber in una microemulsione acqua/olio (W/O) preparata miscelando 1.77 mL di TRITON X-100, 7.5 mL di cicloesano e 1.8 mL di n-esanolo in un pallone a fondo tondo da 100 mL e agitando su agitatore magnetico per 15 minuti. Separatamente, 600 ?L di acqua sono stati miscelati con 40 ?L di TEOS e 60 ?L di BTDS. Dopo l'agitazione, questa miscela ? stata aggiunta alla soluzione organica. L'idrolisi di TEOS ? stata avviata <mediante >l'aggiunta di 50 ?L di aq.NH328% e la miscela ? stata agitata a temperatura ambiente per 5 ore. Degradable hybrid organosilica nanocapsules were synthesized using the St?ber process in a water/oil (W/O) microemulsion prepared by mixing 1.77 mL of TRITON X-100, 7.5 mL of cyclohexane, and 1.8 mL of n-hexanol in a 100 mL round-bottom flask and stirring on a magnetic stirrer for 15 min. Separately, 600 μL of water was mixed with 40 μL of TEOS and 60 μL of BTDS. After stirring, this mixture was added to the organic solution. The hydrolysis of TEOS was initiated by adding 50 μL of 28% aq.NH3, and the mixture was stirred at room temperature for 5 h.
Successivamente sono stati aggiunti 20 mL di acetone puro per far precipitare le NP e il materiale ? stato recuperato mediante centrifugazione. La Figura 4A include immagini TEM di nanocapsule nude, rivestite <con PEG e funzionalizzate con NH>2<. Tutti i >campioni di nanocapsule hanno mostrato un diametro compreso tra 30 e 50 nm. Questi diametri sono in accordo con il diametro idrodinamico ottenuto dall?analisi DLS (50- 60 nm) mostrato nella Figura 4B. La Figura 4D mostra il potenziale zeta delle nanocapsule, dimostrando che la presenza del PEG non influenza la carica superficiale e che, al contrario, <la presenza dell'NH>2 <produce un >valore del potenziale zeta meno negativo e pi? vicino alla neutralit?. La Figura 4C mostra gli spettri di emissione di fluorescenza delle nanocapsule coniugate al colorante fluorescente Cy5. Subsequently, 20 mL of pure acetone was added to precipitate the NPs, and the material was recovered by centrifugation. Figure 4A includes TEM images of bare, PEG-coated, and NH2-functionalized nanocapsules. All nanocapsule samples showed a diameter between 30 and 50 nm. These diameters are in agreement with the hydrodynamic diameter obtained by DLS analysis (50–60 nm) shown in Figure 4B. Figure 4D shows the zeta potential of the nanocapsules, demonstrating that the presence of PEG does not influence the surface charge and that, on the contrary, the presence of NH2 produces a less negative zeta potential value closer to neutrality. Figure 4C shows the fluorescence emission spectra of the nanocapsules conjugated to the fluorescent dye Cy5.
Esempio 5 - Funzionalizzazione delle nanocapsule (NCs) Example 5 - Functionalization of nanocapsules (NCs)
In considerazione del valore negativo del potenziale Zeta delle nanocapsule@NH2, anche rivestite da gruppi amminici, ? stata testata una nuova funzionalizzazione, utilizzando un gruppo silanico ciclico (Figura 5), che presenta un maggior numero di gruppi amminici e un maggiore ingombro sterico sulla superficie di organosilice. In questo caso, il 10% del silano ciclico ? stato incubato con le NCs durante la notte a temperatura ambiente usando il toluene come solvente. <Successivamente, le NCs funzionalizzate sono >state lavate con dH2O per l'ulteriore caratterizzazione. Sia il diametro idrodinamico (Figura 6A) che il potenziale zeta (Figura 6B) misurati alla DLS hanno dimostrato la funzionalizzazione delle NCs con il silano ciclico (? stato chiaramente osservato un incremento del diametro idrodinamico e una modifica del potenziale zeta delle NCs da negativo a positivo). Inoltre, mediante FTIR ? <stata osservata la presenza dei gruppi >amminici provenienti dal silano ciclico: 1523 cm<-1 >NH2, 1626 cm<-1 >NH2, 2600-3650 cm<-1 >NH2 (Figura 6C). Mediante TGA ? stato possibile quantificare la quantit? di gruppi <S-S >presenti sia nelle NCs nude che nelle NCs funzionalizzate, che risulta essere circa il 30% della massa del campione (Figura 6D). Nelle NCs funzionalizzate ? stato osservato un altro decadimento del peso a una temperatura pi? elevata corrispondente a una perdita di massa del 15% attribuita alla presenza del silacicloottano. Considering the negative zeta potential value of the nanocapsules@NH2, even coated with amino groups, a new functionalization was tested, using a cyclic silane group (Figure 5), which has a higher number of amino groups and a greater steric hindrance on the organosilica surface. In this case, 10% of the cyclic silane was incubated with the NCs overnight at room temperature using toluene as solvent. Subsequently, the functionalized NCs were washed with dH2O for further characterization. Both the hydrodynamic diameter (Figure 6A) and the zeta potential (Figure 6B) measured by DLS demonstrated the functionalization of the NCs with the cyclic silane (an increase in the hydrodynamic diameter and a change in the zeta potential of the NCs from negative to positive was clearly observed). Furthermore, by FTIR it was possible to observe the functionalization of the NCs with the cyclic silane. The presence of amino groups from the cyclic silane was observed: 1523 cm<-1 >NH2, 1626 cm<-1 >NH2, 2600-3650 cm<-1 >NH2 (Figure 6C). By TGA it was possible to quantify the amount of <S-S >groups present in both the bare and functionalized NCs, which turns out to be approximately 30% of the sample mass (Figure 6D). In the functionalized NCs, another weight decay was observed at a higher temperature corresponding to a 15% mass loss attributed to the presence of silacyclooctane.
Esempio 6 - Sintesi di nanocristalli di ossido di zinco (ZnO) e loro funzionalizzazione Example 6 - Synthesis of zinc oxide (ZnO) nanocrystals and their functionalization
La sintesi dei nanocristalli di ossido di zinco ? avvenuta con un metodo chimico per via umida, sfruttando una soluzione sol-gel con un precursore dello zinco e l?acido oleico come agente stabilizzante. Il reagente zinco acetato diidrato (526 mg, ACS Reagent, Sigma-Aldrich) ? stato sciolto in 40 mL di etanolo e scaldato a 70?C. Alla soluzione sono stati aggiunti acqua bidistillata (bd, 1 mL, prodotta da un sistema Direct Q3, Millipore, Burlington) e l?acido oleico (140 ?L, Sigma-Aldrich), l?idrossido di tetrametilammonio (1.044 mg, TMAH, Sigma-Aldrich) precedentemente disciolto in 1.052 mL di acqua bd e 10 mL di etanolo. Dopo 10 minuti, i nanocristalli (NCs) di ZnO sono stati recuperati tramite centrifugazione a 14000 g per 10 minuti e risospesi in etanolo. Questa procedura di lavaggio ? stata ripetuta tre volte. La superficie dei ZnO NCs ? stata quindi decorata con gruppi funzionali ammino-propile aggiungendo 10 mol% di 3-aminopropiletrimetossisilano (APTMS, Sigma-Aldrich). Pi? in dettaglio, gli ZnO NCs sono stati dispersi in etanolo a una concentrazione di 2,5 mg/mL e riscaldati fino a 70?C in atmosfera di azoto e condizioni di riflusso. L?APTMS ? stato aggiunto alla soluzione e la reazione ? stata condotta per 6 ore a 70?C. Al termine della procedura, i NCs sono stati raccolti e lavati tre volte mediante un processo di centrifugazione e ridispersione in etanolo fresco e conservati come sospensioni colloidali di etanolo. The synthesis of zinc oxide nanocrystals was carried out by a wet chemical method, using a sol-gel solution with a zinc precursor and oleic acid as a stabilizing agent. The reagent zinc acetate dihydrate (526 mg, ACS Reagent, Sigma-Aldrich) was dissolved in 40 mL of ethanol and heated to 70°C. To the solution were added double-distilled water (bd, 1 mL, produced by a Direct Q3 system, Millipore, Burlington), oleic acid (140 μL, Sigma-Aldrich), and tetramethylammonium hydroxide (1.044 mg, TMAH, Sigma-Aldrich) previously dissolved in 1.052 mL of bd water and 10 mL of ethanol. After 10 min, ZnO nanocrystals (NCs) were recovered by centrifugation at 14,000 g for 10 min and resuspended in ethanol. This washing procedure was repeated three times. The surface of the ZnO NCs was then decorated with aminopropyl functional groups by adding 10 mol% 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS, Sigma-Aldrich). More specifically, the ZnO NCs were dispersed in ethanol at a concentration of 2.5 mg/mL and heated to 70°C under nitrogen and reflux conditions. APTMS was added to the solution, and the reaction was carried out for 6 h at 70°C. At the end of the procedure, the NCs were collected and washed three times by centrifugation and redispersion in fresh ethanol and stored as colloidal ethanol suspensions.
Per la caratterizzazione dei ZnO NCs tal quali e funzionalizzati con gruppi amminopropile, le misurazioni di Dynamic Light Scattering (DLS) e Z-Potential sono state effettuate con lo strumento Zetasizer Nano ZS90 (Malvern Instruments) in acqua bd a una concentrazione di 100 ?g/mL. Le misurazioni NTA (Nanoparticles Tracking Analysis) sono state eseguite su NCs ZnO funzionalizzati con un NanoSight NS300 (Malvern Panalytical). Per preparare il campione, 6 ?L di soluzione NCs da 1 mg/mL sono stati diluiti fino a 1 mL in acqua bidistillata. Per ogni campione, sono stati catturati tre video di 60 s dei campioni che fluiscono nella camera dello strumento e analizzati con il software NTA 3.4 (Malvern Panalytical). To characterize as-is and aminopropyl-functionalized ZnO NCs, Dynamic Light Scattering (DLS) and Z-Potential measurements were performed with the Zetasizer Nano ZS90 instrument (Malvern Instruments) in dry water at a concentration of 100 μg/mL. Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) measurements were performed on functionalized ZnO NCs with a NanoSight NS300 (Malvern Panalytical). To prepare the sample, 6 μL of 1 mg/mL NCs solution was diluted to 1 mL in double-distilled water. For each sample, three 60-s videos of the samples flowing into the instrument chamber were captured and analyzed with NTA 3.4 software (Malvern Panalytical).
I nanocristalli di ZnO funzionalizzati sono stati caratterizzati per mezzo di microscopia elettronica a trasmissione (TEM), disperdendoli in acqua ad una concentrazione di 50 ?g/mL. Quindi, 10 ?L della soluzione sono stati depositati su un film di supporto in carbonio Lacey (300 mesh, Cu, Ted Pella Inc.) e lasciati asciugare. Le misurazioni sono state effettuate con un microscopio Talos? F200X G2 S(TEM) di Thermo Scientific a una tensione operativa di 200 kV. The functionalized ZnO nanocrystals were characterized by transmission electron microscopy (TEM) by dispersing them in water at a concentration of 50 μg/mL. Then, 10 μL of the solution was deposited on a Lacey carbon support film (300 mesh, Cu, Ted Pella Inc.) and allowed to dry. Measurements were performed with a Thermo Scientific Talos® F200X G2 S(TEM) microscope at an operating voltage of 200 kV.
Esempio 7 - Realizzazione di formulazioni lipidiche 2Cn, 3C<+ >e 3C<- >per il rivestimento lipidico Example 7 - Realization of 2Cn, 3C<+ >and 3C<- >lipid formulations for lipid coating
Le formulazioni 2Cn, 3C<+ >e 3C<- >sono state realizzate per creare una shell lipidica altamente personalizzabile e, nel caso delle formulazioni 3C<+ >e 3C-, carica elettrostaticamente con l?obiettivo di fungere da ricopertura di nanoparticelle, come sistema di drug delivery, proprio in virt?? di un?attrazione elettrostatica tra shell lipidica e carico interno. The 2Cn, 3C<+ >and 3C<- >formulations were designed to create a highly customizable lipid shell and, in the case of the 3C<+ >and 3C- formulations, electrostatically charged with the aim of acting as a coating for nanoparticles, as a drug delivery system, precisely by virtue of an electrostatic attraction between the lipid shell and the internal load.
L?approccio seguito per ideare la formulazione ? consistito quindi nell?utilizzare dei lipidi permanentemente carichi (nel caso della formulazione 3C<- >carichi negativamente, per la formulazione 3C<+ >carichi positivamente, mentre la formulazione 2Cn ? neutra come controllo), e mantenere un loro rapporto di maggioranza rispetto agli altri singoli componenti della shell lipidica, scelti tra lipidi neutri, colesterolo e lipidi contenenti un gruppo glicole polietilenico (PEG), ottenendo un rapporto molare rispettivamente di 50:10:38.5:1.5. The approach followed to design the formulation therefore consisted in using permanently charged lipids (negatively charged in the 3C<- > formulation, positively charged in the 3C<+ > formulation, while the 2Cn formulation is neutral as a control), and maintaining a majority ratio of these lipids with respect to the other individual components of the lipid shell, chosen from neutral lipids, cholesterol and lipids containing a polyethylene glycol (PEG) group, obtaining a molar ratio of 50:10:38.5:1.5 respectively.
Al fine di potere utilizzare esclusivamente lipidi commerciali e il cui utilizzo fosse gi? abbondantemente affermato, tale proporzione ? stata utilizzata nella formulazione 3C-, composta nello specifico da 3 lipidi: DOPA (18:1 PA, 1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfato (sale di sodio), in soluzione di cloroformio), DOPC (18:1 (?9-Cis) PC (DOPC), 1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfocolina, in soluzione di cloroformio), DSPE-PEG(2000) Amine (1,2-distearoil-sn-glicero-3-fosfoetanolammina-N-[amino(polietilene-glycol)-2000] (sale d?ammonio) e da Colesterolo in cloroformio. In order to be able to use only commercial lipids whose use was already well established, this proportion was used in the 3C- formulation, specifically composed of 3 lipids: DOPA (18:1 PA, 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphate (sodium salt), in chloroform solution), DOPC (18:1 (?9-Cis) PC (DOPC), 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine, in chloroform solution), DSPE-PEG(2000) Amine (1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[amino(polyethylene-glycol)-2000] (ammonium salt) and Cholesterol in chloroform.
Analogamente, la formulazione 3C<+ >(con 3 lipidi e il colesterolo) mantiene gli stessi rapporti molari della 3C<- >ma sostituisce il lipide carico negativamente (DOPA) con uno carico positivamente il DOTAP (18:1 TAP, 1,2-dioleoil-3-trimetilammonio-propano (sale cloruro). Infine, come formulazione di controllo completamente neutra, viene impiegato solo il lipide neutro DOPC nella formulazione 2Cn. Similarly, the 3C<+ > formulation (with 3 lipids and cholesterol) maintains the same molar ratios as the 3C<- > but replaces the negatively charged lipid (DOPA) with a positively charged one, DOTAP (18:1 TAP, 1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane (chloride salt). Finally, as a completely neutral control formulation, only the neutral lipid DOPC is used in the 2Cn formulation.
Per quanto riguarda la presenza del gruppo PEG, il lipide che lo contiene ha doppia funzione, quella di: As regards the presence of the PEG group, the lipid containing it has a dual function, that of:
(i) stabilizzare la shell in ambiente acquoso e, in applicazioni future, fisiologico, garantendo una maggiore circolazione e di conseguenza massimizzando la probabilit? di arrivare al tessuto oggetto di studio proteggendo il contenuto da degradazione; (i) stabilize the shell in an aqueous and, in future applications, physiological environment, ensuring greater circulation and consequently maximizing the probability of reaching the tissue under study while protecting the contents from degradation;
(ii) consentire l?aggraffaggio tramite semplici reazioni chimiche di peptidi e frammenti di anticorpi, permettendo una personalizzazione molto variegata della shell a seconda dell?utilizzo futuro; (ii) allow for the grafting of peptides and antibody fragments through simple chemical reactions, allowing for a very varied customization of the shell depending on future use;
(iii) conferire la cosiddetta propriet? ?stealth? alle nanoparticelle, ovvero evitarne l?immediato riconoscimento da parte del sistema immunitario e quindi la risposta da corpo estraneo. (iii) confer the so-called "stealth" property to nanoparticles, that is, avoid their immediate recognition by the immune system and therefore the foreign body response.
A tal fine, il lipide con gruppo PEG utilizzato ? il DSPE-PEG(2000) Maleimide (1,2-distearoil-sn-glicero-3-fosfoetanolammina-N-[maleimide(polietilene glicol)-2000] (sale d?ammonio), la cui cisteina del gruppo maleimide pu?, appunto, reagire, in determinate condizioni, con gruppi amminoacidici di peptidi o di frammenti di anticorpi. Questo lipide, definito ?lipide funzionale?, viene aggiunto in una frazione molare variabile tra lo 0,1% e lo 0,5% in sostituzione di parte del lipide DSPE-PEG(2000)-Amine. To this end, the lipid with a PEG group used is DSPE-PEG(2000) Maleimide (1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[maleimide(polyethylene glycol)-2000] (ammonium salt), whose cysteine of the maleimide group can, in fact, react, under certain conditions, with amino acid groups of peptides or antibody fragments. This lipid, defined as a "functional lipid", is added in a molar fraction varying between 0.1% and 0.5% to replace part of the DSPE-PEG(2000)-Amine lipid.
Di seguito, una tabella (Tabella 1) riassuntiva degli intervalli della frazione in massa, ed una degli stessi nella versione preferita (Tabella 2). Nella tabella 1 va tenuto presente che la sommatoria di valori usati nella frazione molare in tutte le loro possibili combinazioni deve essere sempre 100%. Below is a table (Table 1) summarizing the mass fraction ranges, and one of the same ranges in the preferred version (Table 2). In Table 1, it should be noted that the sum of the values used in the mole fraction in all their possible combinations must always be 100%.
Tabella 1 Table 1
Tabella 2 Table 2
La formulazione 3C<- >? di tutte queste tre formulazioni, quella ritenuta pi? rilevante, ed ? stata studiata per interagire elettrostaticamente con nanoparticelle cariche positivamente, garantendo una copertura stabile nel corso del tempo e riducendo i rischi relativi all?utilizzo nell?organismo di biomateriali con forte carica positiva, i quali hanno la tendenza, largamente dimostrata in clinica e scienza dei materiali, di favorire la coagulazione del sangue e l?assorbimento di proteine sulla loro superficie. La carica spiccatamente negativa dei costrutti ricoperti dalla formulazione 3C-, unita alla presenza del gruppo PEG con effetto anti-fouling, garantiscono una prolungata circolazione e una stabilit? in ambienti biologici che si presta perfettamente ai futuri utilizzi clinici, offrendo un altissimo grado di personalizzazione grazie alle possibili funzionalizzazioni superficiali consentite dalla presenza del DSPE-PEG(2000) Maleimide. The 3C<- >? formulation is considered the most relevant of these three formulations and was designed to interact electrostatically with positively charged nanoparticles, ensuring stable coverage over time and reducing the risks associated with the use of highly positively charged biomaterials in the body. These materials have a well-established clinical and materials science-based tendency to promote blood clotting and protein adsorption to their surfaces. The markedly negative charge of the constructs coated with the 3C- formulation, combined with the presence of the anti-fouling PEG group, ensures prolonged circulation and stability in biological environments, making them ideal for future clinical uses. This offers a high degree of customization thanks to the potential surface functionalizations enabled by the presence of DSPE-PEG(2000) Maleimide.
La quantit? di PEG inserita nella shell ? il giusto compromesso per consentire la personalizzazione della shell lipidica senza insorgere in reazioni avverse derivanti dalla massiva presenza di PEG nell?organismo, recentemente individuato come un fattore di rischio di allergie che accomuna nanotecnologie cos? come prodotti cosmetici e medicali utilizzati nella vita quotidiana. Infine, le proporzioni molari dei vari componenti della shell sono in grado di massimizzare l?impacchettamento del cargo grazie alla massiccia presenza di lipidi carichi, mentre la presenza del colesterolo in queste quantit? conferisce alle nanoparticelle lipidiche un giusto grado sia di fluidit? che di solidit? strutturale. The amount of PEG inserted in the shell is the right compromise to allow customization of the lipid shell without inducing adverse reactions resulting from the massive presence of PEG in the body, recently identified as a risk factor for allergies common to nanotechnologies as well as cosmetic and medical products used in everyday life. Finally, the molar proportions of the various components of the shell are able to maximize cargo packing thanks to the massive presence of charged lipids, while the presence of cholesterol in these quantities gives the lipid nanoparticles the right degree of both fluidity and structural solidity.
Una volta ottenute, le formulazioni lipidiche sono state caratterizzate ed i risultati della caratterizzazione sono presentati in Tabella 3: Once obtained, the lipid formulations were characterized and the characterization results are presented in Table 3:
Tabella 3 Table 3
Esempio 8 - Realizzazione di formulazioni lipidiche MIMIC 1, 2, 3 per il rivestimento lipidico Example 8 - Creation of MIMIC 1, 2, and 3 lipid formulations for lipid coating
Per la realizzazione delle formulazioni MIMIC 1, 2 e 3, il punto di partenza ? stato lo studio dello stato dell?arte per quanto riguarda la composizione delle EV naturali provenienti dalla linea di tumore alla prostata PC3. Suddetta linea produce infatti vescicole extracellulari che possiedono un naturale tropismo nei confronti di un altro tessuto, nel caso specifico l?apparato scheletrico. Allo scopo quindi di raggiungere il tessuto osseo con fini terapeutici e con la consapevolezza che la composizione lipidica giochi un ruolo fondamentale nelle propriet? chimico-fisiche delle vescicole, e che queste ultime a loro volta rivestano una funzione durante il riconoscimento e l?internalizzazione di una particolare specie cellulare, si ? cercato di creare delle formulazioni lipidiche artificiali che andassero via via ad assomigliare sempre di pi? a quella delle vescicole naturali. To develop MIMIC 1, 2, and 3 formulations, the starting point was a study of the state-of-the-art composition of natural EVs from the PC3 prostate cancer cell line. This cell line produces extracellular vesicles that have a natural tropism for another tissue, specifically the skeletal system. Therefore, with the aim of reaching bone tissue for therapeutic purposes and with the understanding that lipid composition plays a fundamental role in the chemical and physical properties of vesicles, and that these in turn play a role in the recognition and internalization of a particular cell species, we attempted to create artificial lipid formulations that would increasingly resemble those of natural vesicles.
Tra gli articoli trovati in letteratura sulla composizione delle EV derivate da cellule tumorali della prostata PC3, se ne ? selezionato uno in particolare di Among the articles found in the literature on the composition of EVs derived from PC3 prostate cancer cells, one in particular was selected:
?The n-10 fatty acids family in the lipidome of human prostatic adenocarcinoma cell membranes and extracellular vesicles,? ., vol. 12, no. 4, pp. 1?16, 2020, doi: 10.3390/cancers12040900) nel quale vengono riportate le percentuali in massa sia delle famiglie di lipidi che compongono questo tipo di vescicole naturali, sia la distribuzione degli acidi grassi, che costituiscono la parte idrofobica del doppio strato lipidico. Mentre la composizione che riguarda le famiglie lipidiche ? facilmente riproducibile ed ? costituita da colesterolo e 4 altri tipi di fosfolipidi (fosfatidil-serina, fosfatidil-colina e fosfatidil-etanolammina, sfingomieline), quella degli acidi grassi risulta piuttosto complessa. Inoltre, la connessione e distribuzione tra le teste idrofile di fosfolipidi e sfingomieline e i relativi acidi grassi, che ne costituiscono le caratteristiche code idrofobiche, non ? nota. "The n-10 fatty acids family in the lipidome of human prostatic adenocarcinoma cell membranes and extracellular vesicles," vol. 12, no. 4, pp. 1-16, 2020, doi: 10.3390/cancers12040900, which reports the mass percentages of both the lipid families that make up this type of natural vesicle and the distribution of fatty acids, which constitute the hydrophobic part of the lipid bilayer. While the composition of the lipid families is easily reproducible and consists of cholesterol and 4 other types of phospholipids (phosphatidyl-serine, phosphatidyl-choline and phosphatidyl-ethanolamine, sphingomyelins), that of the fatty acids is rather complex. Furthermore, the connection and distribution between the hydrophilic heads of phospholipids and sphingomyelins and the related fatty acids, which constitute their characteristic hydrophobic tails, is unknown.
Pertanto, si ? cercato di giungere a delle composizioni artificiali che soddisfacessero innanzitutto i rapporti massivi tra le teste idrofile, ritenute biologicamente pi? rilevanti, in quanto idealmente esposte in prima linea nel doppio strato lipidico. Allo stesso tempo, si ? cercato un compromesso che soddisfacesse il pi? possibile anche il bilanciamento tra gli acidi grassi, con particolare attenzione all?equilibrio tra le 3 pi? note categorie di acidi grassi: saturi, monoinsaturi, e poliinsaturi. Infine, le tre formulazioni costituiscono un?evoluzione dalla formulazione 3C-, usata come punto di partenza, fino a giungere alla composizione di riferimento, che ? una semplificazione della naturale composizione delle EV riportata in Ferrari et al. Therefore, we sought to develop artificial compositions that primarily satisfied the mass ratios between the hydrophilic heads, considered to be the most biologically relevant, as they are ideally exposed at the forefront of the lipid bilayer. At the same time, we sought a compromise that would also satisfy the balance between fatty acids as closely as possible, with particular attention to the balance between the three most well-known categories of fatty acids: saturated, monounsaturated, and polyunsaturated. Finally, the three formulations represent an evolution from the 3C- formulation, used as a starting point, to the reference composition, which is a simplification of the natural composition of EVs reported in Ferrari et al.
Per ottenere la composizione di riferimento, la composizione naturale degli acidi grassi ? stata semplificata, mentre quella delle famiglie di lipidi ? stata mantenuta. In particolare, gli acidi grassi presenti in percentuale di massa inferiore all?1.5% sono stati trascurati (questo taglio rappresenta solamente poco pi? del 5% rispetto alla massa totale dei lipidi). Le percentuali dei restanti acidi grassi sono state ribilanciate di conseguenza, rispettando i rapporti tra le masse iniziali. Una volta ottenuta la formulazione di riferimento, si ? partiti dalla formulazione 3C<- >per arrivare in passi consecutivi a una composizione di lipidi commerciali il pi? possibile vicina al riferimento, ma mantenendo comunque per praticit? un basso numero di componenti. To obtain the reference composition, the natural composition of fatty acids was simplified, while that of the lipid families was maintained. In particular, fatty acids present in a mass percentage lower than 1.5% were neglected (this cutoff represents only slightly more than 5% of the total lipid mass). The percentages of the remaining fatty acids were rebalanced accordingly, respecting the ratios between the initial masses. Once the reference formulation was obtained, we started from the 3C<- > formulation to arrive, in consecutive steps, at a commercial lipid composition as close as possible to the reference, while still maintaining a low number of components for practicality.
La composizione MIMIC 1 ? data dal semplice ribilanciamento delle famiglie di lipidi presenti nella formulazione 3C<- >e con l?inserimento delle sfingomieline. In questo modo, tutte le famiglie di lipidi del riferimento sono presenti, ad eccezione delle fosfatidilserine, la cui percentuale in massa ? stata assegnata al fosfolipide anionico DOPA. Quest?ultimo ? infatti l?elemento cardine della formulazione 3C-, che basa il suo funzionamento sull?interazione elettrostatica tra la superficie carica positivamente delle nanoparticelle e la carica netta negativa conferita al mix di lipidi proprio grazie alla presenza di questo particolare fosfolipide. In questo caso, si ? attribuita meno attenzione alla composizione degli acidi grassi, e il risultato ? un naturale ribilanciamento degli elementi gi? presenti nella formulazione 3C-. Si nota soltanto l?inserimento di un nuovo acido grasso saturo, C16:0 e uno monoinsaturo, C18:1, grazie alla presenza delle sfingomieline. The MIMIC 1 composition is given by the simple rebalancing of the lipid families present in the 3C- formulation with the inclusion of sphingomyelins. In this way, all the lipid families of the reference are present, with the exception of phosphatidylserines, whose percentage by mass has been assigned to the anionic phospholipid DOPA. The latter is in fact the cornerstone of the 3C- formulation, which bases its functioning on the electrostatic interaction between the positively charged surface of the nanoparticles and the net negative charge conferred on the lipid mix thanks to the presence of this particular phospholipid. In this case, less attention was paid to the composition of the fatty acids, and the result is a natural rebalancing of the elements already present in the 3C- formulation. The only notable addition is the addition of a new saturated fatty acid, C16:0, and a monounsaturated one, C18:1, thanks to the presence of sphingomyelins.
La composizione MIMIC 2 ? basata sulla precedente; ? infatti identica alla formulazione MIMIC 1, ma in questo caso la percentuale di DOPA viene sostituita con la fosfatidilserina (PS C16:0). In questo modo tutte le tipologie di teste idrofile della formulazione di riferimento sono presenti ed ? possibile valutare se la presenza del fosfolipide anionico ? indispensabile per una ricopertura efficace e stabile delle nanoparticelle. Per quanto riguarda gli acidi grassi, si ? scelto questo fosfolipide commerciale, PS C16:0, perch? andasse ad incrementare la percentuale di acidi saturi, che nella formulazione MIMIC 1 era troppo sbilanciata a favore dei monoinsaturi. The MIMIC 2 composition is based on the previous one; it is in fact identical to the MIMIC 1 formulation, but in this case the percentage of DOPA is replaced with phosphatidylserine (PS C16:0). In this way, all types of hydrophilic heads of the reference formulation are present and it is possible to evaluate whether the presence of the anionic phospholipid is essential for effective and stable coating of the nanoparticles. As for the fatty acids, this commercial phospholipid, PS C16:0, was chosen to increase the percentage of saturated acids, which in the MIMIC 1 formulation was too unbalanced in favor of monounsaturated ones.
La composizione MIMIC 3 vede l?inserimento di una nuova tipologia di acidi grassi rispetto alle precedenti due formulazioni, pur rimanendo invariata dal punto di vista del rapporto tra le teste idrofile rispetto alla formulazione MIMIC 2, gi? identica a quella del riferimento. La categoria inserita ? quella degli acidi grassi poliinsaturi mediante la sostituzione di parte della percentuale di fosfatidil-etanolammina monoinsatura, presente nella forma PEGilata DSPE-PEG, con PE 18:2. In questo modo ? possibile studiare l?effetto della presenza di lipidi poliinsaturi nel comportamento del doppio strato lipidico. Con questa aggiunta e considerando la presenza degli errori riportati nella composizione naturale di partenza, si pu? affermare che la formulazione MIMIC 3, con buona approssimazione, raggiunge il corretto equilibrio tra le famiglie di teste idrofile e le categorie di acidi grassi. The MIMIC 3 composition includes a new type of fatty acid compared to the previous two formulations, while maintaining the same ratio of hydrophilic heads compared to the MIMIC 2 formulation, which was already identical to the reference formulation. The new category is that of polyunsaturated fatty acids by replacing part of the percentage of monounsaturated phosphatidylethanolamine, present in the PEGylated DSPE-PEG form, with PE 18:2. This allows for the study of the effect of the presence of polyunsaturated lipids on the behavior of the lipid bilayer. With this addition and considering the presence of the errors reported in the original natural composition, it can be stated that the MIMIC 3 formulation, with a good approximation, achieves the correct balance between the families of hydrophilic heads and the categories of fatty acids.
Nelle tabelle che seguono sono riportate due forme preferite per le composizioni MIMIC 1, 2 e 3: contengono entrambe le stesse proporzioni di lipidi, ma nel caso 1 si ha il 13% in massa di colesterolo, mentre nel caso 2 ? presente il 30% in massa di colesterolo. La somma di tutti i componenti ? sempre pari al 100%. A lato si riportano l?intervallo% di valori che le composizioni possono avere. The following tables show two preferred forms for MIMIC compositions 1, 2, and 3: both contain the same proportions of lipids, but in case 1 there is 13% cholesterol by mass, while in case 2 there is 30% cholesterol by mass. The sum of all components is always equal to 100%. The % range of values that the compositions can have is shown on the side.
Tabella 4. Composizioni delle formulazioni MIMIC 1, 2, e 3, nelle due loro forme preferite (caso 1 e caso 2) e con il range di variazione% dei componenti (% in massa). Vengono riportate anche le formulazioni 3C-, come punto di partenza e confronto per le formulazioni MIMIC e la formulazione delle EVs da cellule PC3 (cancro alla prostata) come punto finale di arrivo. Table 4. Compositions of MIMIC formulations 1, 2, and 3, in their two preferred forms (case 1 and case 2) and with the range of variation in % of the components (% by mass). The 3C- formulations are also shown, as a starting point and comparison for the MIMIC formulations and the PC3 (prostate cancer) EV formulation as the final point of arrival.
Tabella 5. Tabella riassuntiva delle % in massa tra i componenti delle diverse formulazioni (solo per il caso preferito 1), confrontate con la composizione di riferimento delle EV estratte da PC3. La tabella ? suddivisa in tre parti che rappresentano: le teste polari (in alto) gli acidi grassi (al centro) e le tre categorie di acidi grassi (in basso). Table 5. Summary table of the mass % of the components of the different formulations (for preferred case 1 only), compared with the reference composition of the EVs extracted from PC3. The table is divided into three parts representing: the polar head groups (top), the fatty acids (middle), and the three fatty acid categories (bottom).
Esempio 9 - Metodo di rivestimento delle nanoparticelle Example 9 - Nanoparticle Coating Method
Metodo del solvent exchange (scambio di solvente) Solvent exchange method
Questa tecnica consiste nel preparare una formulazione di diversi fosfolipidi e colesterolo, prelevarli dalla loro soluzione di cloroformio di riserva e reidratarli con una soluzione al 40% v di etanolo e al 60% v di acqua. Le nanoparticelle vengono quindi inizialmente miscelate con la soluzione lipidica e successivamente l'acqua viene aggiunta in eccesso. Il rapido aumento del contenuto di acqua ? fondamentale per questo metodo, in quanto guida l'autoassemblaggio dei fosfolipidi sulla superficie delle nanoparticelle. This technique involves preparing a formulation of various phospholipids and cholesterol, removing them from their reserve chloroform solution, and rehydrating them with a solution of 40% ethanol and 60% water. The nanoparticles are then initially mixed with the lipid solution, and water is subsequently added in excess. The rapid increase in water content is critical to this method, as it drives the self-assembly of the phospholipids on the nanoparticle surface.
In breve, dopo aver lasciato seccare la formulazione desiderata di lipidi per una notte sotto vuoto, questi sono stati idratati con una soluzione composta da etanolo (99%, ) e acqua bidistillata in una proporzione volumetrica del 40%-60%. Questo rapporto ? stato studiato attentamente per evitare qualsiasi auto-assemblaggio indesiderato dei lipidi, e a tal proposito l'etanolo ? stato aggiunto come primo solvente. La risultante dispersione di lipidi, il cui colore vira al biancastro dopo l'aggiunta di acqua, ? stabile e conservata a 4?C per gli step successivi. Briefly, after drying the desired lipid formulation overnight under vacuum, they were hydrated with a solution composed of ethanol (99%) and double-distilled water in a 40%–60% volumetric ratio. This ratio was carefully studied to avoid any unwanted self-assembly of the lipids, and for this purpose, ethanol was added as the first solvent. The resulting lipid dispersion, whose color turns whitish after the addition of water, is stable and stored at 4°C for subsequent steps.
Il processo di rivestimento consiste nel prelevare una certa quantit? (definita successivamente per il protocollo di rivestimento NPs ottimizzato) di nanoparticelle dalla soluzione etanolica mediante centrifugazione a 14000 g per 10 minuti e rimuovendo il surnatante. In seguito viene aggiunta una quantit? di soluzione lipidica al pellet di nanoparticelle con un rapporto in peso di 2:1 (opzione preferita) o una nanoparticella 1:1 rispetto ai lipidi, e si effettua una prima fase di sonicazione (3 minuti) utilizzando un bagno ad ultrasuoni (59 kHz, Branson 3800 CPXH, ), per consentire una buona dispersione delle nanoparticelle e dei lipidi. Successivamente, per autoassemblare il doppio strato lipidico sulla superficie delle nanoparticelle, viene aggiunta acqua bidistillata in eccesso in rapporto alla miscela, fino a raggiungere un rapporto in volume etanolo/acqua di 1:9. La sospensione finale viene sottoposta a un secondo ciclo di sonicazione (5 minuti) per omogeneizzare il sistema e per aiutare la formazione di un doppio strato lipidico autoassemblato omogeneo che racchiude le nanoparticelle. The coating process consists of removing a certain amount (defined later for the optimized NPs coating protocol) of nanoparticles from the ethanolic solution by centrifugation at 14,000 g for 10 minutes and removing the supernatant. A quantity of lipid solution is then added to the nanoparticle pellet at a weight ratio of 2:1 (preferred option) or a 1:1 nanoparticle to lipid ratio, and an initial sonication step (3 minutes) is performed using an ultrasonic bath (59 kHz, Branson 3800 CPXH, ) to allow good dispersion of the nanoparticles and lipids. Subsequently, to self-assemble the lipid bilayer on the nanoparticle surface, excess double-distilled water is added to the mixture until an ethanol/water volume ratio of 1:9 is reached. The final suspension is subjected to a second sonication cycle (5 minutes) to homogenize the system and to aid the formation of a homogeneous self-assembled lipid bilayer enclosing the nanoparticles.
Esempio 10 - Caratterizzazione delle nanoparticelle rivestite di lipidi Per caratterizzare la distribuzione dimensionale e la stabilit? colloidale delle nanoparticelle rivestite, DLS e Z-Potential (Zetasizer Nano ZS90 di ) e Nanoparticles Tracking Analysis (NTA, NanoSight NS300 di ) sono state eseguite in acqua deionizzata e a temperatura ambiente. Tutte le misurazioni sono state condotte 3 volte e quindi mediate. Per le analisi, una quantit? corrispondente a 100 ?g di NPs ? stata prelevata dalla sospensione e aggiunta a 900 ?L di acqua bidistillata e analizzata. Per l'analisi NTA, per ciascun campione, sono stati registrati e analizzati tre video di 60 secondi dei campioni che scorrevano attraverso la camera dello strumento con il software NTA 3.4 di Malvern Panalytical. La ricopertura con le formulazioni 2Cn, 3C<- >e 3C<+ >? stata testata su diverse tipologie di nanoparticelle, che sono state ricoperte a seconda del valore di potenziale zeta misurato sulle particelle tal quali (viene utilizzata la formulazione lipidica neutra o preferibilmente quella con carica di segno opposto per sfruttare l?interazione elettrostatica e garantire una corretta ricopertura) e successivamente caratterizzate. Di seguito, vengono riportati alcuni esempi di caratterizzazione di nanoparticelle ricoperte: nanoparticelle di ossido di zinco (Figura 7), nanogabbie di organosilice (Figura 8), nanocapsule di organosilice (Figura 9) e nanoparticelle polimeriche (Figura 10). Analogamente, ? stata testata e caratterizzata la ricopertura delle particelle con le formulazioni MIMIC 1, 2 e 3 e messa a confronto con la formulazione 3C-, della quale le formulazioni MIMIC rappresentano un?evoluzione. Alcuni risultati esemplificativi sono riportati in Figura 11. Example 10 - Characterization of Lipid-Coated Nanoparticles To characterize the size distribution and colloidal stability of the coated nanoparticles, DLS and Z-Potential (Zetasizer Nano ZS90 by ) and Nanoparticles Tracking Analysis (NTA, NanoSight NS300 by ) were performed in deionized water at room temperature. All measurements were performed 3 times and then averaged. For analyses, an amount corresponding to 100 μg of NPs was removed from the suspension and added to 900 μL of double-distilled water and analyzed. For NTA analysis, for each sample, three 60-second videos of the samples flowing through the instrument chamber were recorded and analyzed using Malvern Analytical's NTA 3.4 software. Coating with the 2Cn, 3C<- >, and 3C<+ > formulations? The study was tested on different types of nanoparticles, which were coated according to the zeta potential value measured on the as-is particles (the neutral lipid formulation or preferably the one with the opposite charge is used to exploit the electrostatic interaction and ensure correct coating) and subsequently characterized. Some examples of the characterization of coated nanoparticles are shown below: zinc oxide nanoparticles (Figure 7), organosilica nanocages (Figure 8), organosilica nanocapsules (Figure 9), and polymeric nanoparticles (Figure 10). Similarly, the coating of particles with MIMIC formulations 1, 2, and 3 was tested and characterized and compared with the 3C- formulation, of which MIMIC formulations represent an evolution. Some exemplary results are shown in Figure 11.
Nel dettaglio, la Figura 7 mostra la caratterizzazione delle nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO) ricoperte con la formulazione 3C<- >e confronta i dati con le stesse nanoparticelle nude. In termini di distribuzione dimensionale, le nanoparticelle di ZnO rivestite di formulazione 3C<- >sono monodisperse e con una diametro idrodinamico intorno a 100 nm, come rilevato dalle analisi effettuate mediante DLS (Figura 7A) e NTA (Figura 7B). Al contrario, le NP nude di ossido di zinco mostrano aggregazione all?NTA (curva nera in Figura 7B). Il potenziale Z e potenziale zeta delle NP nude di ZnO ? positivo, circa 25 mV, in quanto queste NP sono fuzionalizzate con gruppi amminopropile. Una volta rivestite dalla formulazione 3C-, il potenziale Z risulta negativo, pari a -20 mV, a dimostrare l?efficacia del ricoprimento (Figura 7C). In detail, Figure 7 shows the characterization of zinc oxide (ZnO) nanoparticles coated with the 3C<- > formulation and compares the data with the same bare nanoparticles. In terms of size distribution, ZnO nanoparticles coated with the 3C<- > formulation are monodisperse and have a hydrodynamic diameter around 100 nm, as detected by DLS (Figure 7A) and NTA (Figure 7B) analyses. In contrast, bare zinc oxide NPs show aggregation upon NTA (black curve in Figure 7B). The Z potential and zeta potential of bare ZnO NPs are positive, around 25 mV, as these NPs are functionalized with aminopropyl groups. Once coated with the 3C- formulation, the Z potential is negative, equal to -20 mV, demonstrating the effectiveness of the coating (Figure 7C).
In Figura 8 sono mostrati i dati delle nanogabbie di organosilica degradabili non funzionalizzate (ssOSCs), funzionalizzate con PEG (ssOSCs@PEG) e con gruppi NH2 (ssOSCs@NH2) tal quali e ricoperte da formulazione 2Cn e 3C-. Le analisi DLS (Dynalmic Light Scattering) in Figura 8A e del potenziale Zeta (Figura 8B) mostrano che le ssOSCs tal quali hanno una dimensione pari a 60 nm e un potenziale Z neutro: quando vengono rivestite con la formulazione 2Cn o con la formulazione 3C-, la loro distribuzione dimensionale resta invariata e cambia di molto il potenziale Z, che diventa molto positivo (circa 60mV) con la formulazione 2Cn e molto negativo (-40mV) usando la formualazione 3C-. Quando ? presente la funzionalizzazione con il PEG sulle ssOSCs, queste risultano pi? piccole (circa 30 nm dalla DLS, Figura 8A) e debolmente negative (-15mV di potenziale Z, Figura 8B) e possono essere rivestite con la formulazione neutra 2Cn, dimostrando un aumento del diametro idrodinamico (60 nm, Figura 8A) e un potenziale Z prossimo alla neutrait? (+8mV). Infine le analisi sulle nanogabbie di organosilica funzionalizzate con gruppi NH2 (ssOSCs-NH2) tal quali mostrano una dimensione alla DLS di circa 20 nm (Figura 8A alla DLS e Figura 8C all?NTA) e carica positiva (+50 mV, Figura 8B). Quando sono ricoperte da formulazione 2Cn o da formulazione 3C<- >la loro dimensione aumenta rispettivamente a 80 nm e 120 nm (Figure 8A e 8C) e il potenziale Z varia in funzione della carica della formulazione lipidica: con la formulazione 2Cn diventa pi? neutro (+ 30 mV) e con la formulazione 3C<- >diventa molto negativo (-50 mV) a dimostrare l?effettivo ricoprimento delle NP con i lipidi. L?analisi NTA (Nanopartcle Tracking Analysis, Figura 8D) ? stata fatta sul campione ssOSCs-NH2, ricoperto da formulazione 3C-, che dimostra una buona monodispersione e un picco a 126 nm. L?analisi FTIR di ssOSCs-NH2 e ssOSCs-NH2 ricoperte da formulazione 3C<- >(Figura 8E) mostrano che nel campione ricoperto, sono chiaramente visibili i picchi caratteristici dei lipidi nella zona da 3200 cm<-1 >a 1500 cm<-1>, insieme a quelli della silice. La valutazione termogravimetrica (TGA, Figura 8F) di ssOSCs-NH2 e ssOSCs-NH2 ricoperte da formulazione 3C<- >mostra che la perdita di peso registrata corrisponde alla quantit? di lipidi aggiunti alle nanoparticelle per la ricopertura, ovvero il 50% in massa rispetto alle nanoparticelle. Figure 8 shows data from unfunctionalized, PEG-functionalized (ssOSCs@PEG) and NH2-functionalized (ssOSCs@NH2) degradable organosilica nanocages as-is and coated with 2Cn and 3C- formulations. Dynamic Light Scattering (DLS) analyses in Figure 8A and Zeta potential analyses (Figure 8B) show that the as-is ssOSCs have a size of 60 nm and a neutral Z-potential: when coated with either the 2Cn or 3C- formulation, their size distribution remains unchanged and the Z-potential changes significantly, becoming very positive (about 60 mV) with the 2Cn formulation and very negative (-40 mV) using the 3C- formulation. When PEG-functionalization is present on the ssOSCs, they are more symmetrical. small (about 30 nm from DLS, Figure 8A) and weakly negative (-15 mV Z potential, Figure 8B) and can be coated with the neutral 2Cn formulation, demonstrating an increase in hydrodynamic diameter (60 nm, Figure 8A) and a Z potential close to neutrality (+8 mV). Finally, analyses on organosilica nanocages functionalized with NH2 groups (ssOSCs-NH2) as such show a size at DLS of about 20 nm (Figure 8A at DLS and Figure 8C at NTA) and a positive charge (+50 mV, Figure 8B). When coated with the 2Cn formulation or the 3C<- > formulation, their size increases to 80 nm and 120 nm respectively (Figures 8A and 8C) and the Z potential varies as a function of the charge of the lipid formulation: with the 2Cn formulation it becomes smaller (Figure 8C at DLS and Figure 8C at NTA). The NPs are neutral (+ 30 mV) and with the 3C<- > formulation it becomes very negative (-50 mV), demonstrating the effective coating of the NPs with lipids. The NTA (Nanoparticle Tracking Analysis, Figure 8D) analysis was performed on the ssOSCs-NH2 sample, coated with the 3C- formulation, which demonstrates good monodispersity and a peak at 126 nm. The FTIR analysis of ssOSCs-NH2 and ssOSCs-NH2 coated with the 3C<- > formulation (Figure 8E) shows that in the coated sample, the characteristic peaks of the lipids in the region from 3200 cm<-1 >to 1500 cm<-1>, together with those of the silica, are clearly visible. Thermogravimetric evaluation (TGA, Figure 8F) of ssOSCs-NH2 and ssOSCs-NH2 coated with 3C<- > formulation shows that the recorded weight loss corresponds to the amount of lipids added to the nanoparticles for coating, i.e. 50% by mass with respect to the nanoparticles.
In Figura 9 sono riportate le analisi DLS (Figura 9A) e la misura del potenziale Zeta (Figura 9B) di nanocapsule di organosilica non funzionalizzate (NCs), funzionalizzate con PEG (NCs@PEG) e con gruppi NH2 (NCs@NH2) tal quali e ricoperte da formulazione 2Cn e 3C<+>. Si nota chiaramente che quando le NC sono ricoperte di lipidi 2Cn e 3C<+>, il loro diametro idrodinamico aumenta rispetto alle NC tal quali e che il potenziale Z varia notevolemnte in funzione della carica della formulazione usata. In particolare, le NC sono originariamente con potenziale Z negativo (circa -22 mV) e il rivestimento con la formulazione 3C<+ >porta il potenziale Z a valori nettamente poitivi (circa 30 mV). Figure 9 shows the DLS analyses (Figure 9A) and the Zeta potential measurements (Figure 9B) of unfunctionalized organosilica nanocapsules (NCs), functionalized with PEG (NCs@PEG) and with NH2 groups (NCs@NH2) as is and coated with 2Cn and 3C<+> formulations. It is clearly noted that when the NCs are coated with 2Cn and 3C<+> lipids, their hydrodynamic diameter increases compared to the NCs as is and that the Z potential varies significantly as a function of the charge of the formulation used. In particular, the NCs are originally with a negative Z potential (about -22 mV) and the coating with the 3C<+ > formulation brings the Z potential to significantly positive values (about 30 mV).
La Figura 10 mostra la caratterizzazione di nanoparticelle polimeriche tal quali e rivestite da lipidi. La misura del potenziale Zeta di particelle di PLGA, PLGA funzionalizzato con chitosano (PLGA-CS) e di gelatina tal quali cambia notevolmente una volta che sono ricoperte dalle formulazioni 3C<+ >o 3C<- >a seconda al potenziale Zeta di partenza (Figura 10A) in quanto si va asfruttare l?interazione elettrostatica tra la superficie polimerica e la formulazione lipidica. Le analisi DLS delle particelle di PLGA tal quali mostrano un aumento della dimensione quando sono ricoperte dalla formulazione 3C<+ >(Figura 10B) e analogamente capita per le particelle di Gelatina tal quali e ricoperte dalla formulazione 3C<- >e di PLGA funzionalizzate con chitosano (PLGA-CS) tal quali e ricoperte dalla formulazione 3C-. Figure 10 shows the characterization of as-is and lipid-coated polymeric nanoparticles. The zeta potential measurement of as-is PLGA, chitosan-functionalized PLGA (PLGA-CS), and gelatin particles changes significantly once they are coated with the 3C<+ > or 3C<- > formulations depending on the starting zeta potential (Figure 10A) as the electrostatic interaction between the polymer surface and the lipid formulation is exploited. DLS analyses of as-is PLGA particles show an increase in size when they are coated with the 3C<+ > formulation (Figure 10B), and similarly for gelatin particles as-is and coated with the 3C<- > formulation and for chitosan-functionalized PLGA (PLGA-CS) as-is and coated with the 3C- formulation.
In Figura 11 ? riportata la caratterizzazione di nanocapsule degradabili funzionalizzate con gruppi NH2 (NCs) tal quali e ricoperte da Formulazione 3C-, MIMIC1, MIMIC2 o MIMIC3. Le analisi DLS (Figura 11A) mostrano un aumento del diametro idroninamico quando le NC sono rivestite e una considerevole variazione del potenziale Zeta da positivo per le NC non rivestite a negativo per le NC rivestite con le varie formulazioni usate (Figura 11B). Infine, le analisi NTA (Figura 11C) mostrano la mondispersione delle NCs ricoperte da Formulazione MIMIC1 con un picco a 112 nm. Figure 11 shows the characterization of degradable nanocapsules functionalized with NH2 groups (NCs) as is and coated with Formulation 3C-, MIMIC1, MIMIC2 or MIMIC3. DLS analyses (Figure 11A) show an increase in hydrodynamic diameter when the NCs are coated and a considerable change in Zeta potential from positive for the uncoated NCs to negative for the NCs coated with the various formulations used (Figure 11B). Finally, NTA analyses (Figure 11C) show the monodispersion of the NCs coated with Formulation MIMIC1 with a peak at 112 nm.
Esempio 11 - Incapsulamento di calceina e Doxorubicina nella formulazione di nanoparticelle ssOSCs con rivestimento di lipidi del tipo 3C-L'incapsulamento della calceina nelle particelle di ssOSCs ? stato ottenuto come segue: 50 mg di ssOSCs sono stati sospesi in 10 mL di EtOH contenente 2M di CaCl2. Parallelamente, anche la calceina (50 mg) ? stata sciolta in 10 mL di 10 mL di EtOH 2M <di CaCl>2<. Entrambe le >sospensioni sono state sonicate per 10 minuti separatamente. Successivamente, sono state miscelate e brevemente sonicate per altri 20 minuti e agitate per 12 ore a temperatura ambiente. Per recuperare le ssOSCs caricate con calceina (ssOSCs@calcein), queste sono state lavate e centrifugate a 40000 g per 30 minuti con EtOH (10 mL x 3 volte) e acqua (10 mL x 3 volte). Il materiale risultante ? stato infine funzionalizzato con il silano positivo come menzionato <in precedenza, risospeso in dH>2<O e mantenuto a 4?C fino alla ricopertura con >la formulazione lipidica 3C-.Example 11 - Encapsulation of calcein and doxorubicin in 3C-type lipid-coated ssOSC nanoparticle formulation - The encapsulation of calcein in ssOSC particles was achieved as follows: 50 mg of ssOSCs were suspended in 10 mL of EtOH containing 2M CaCl2. In parallel, calcein (50 mg) was also dissolved in 10 mL of 2M EtOH containing 10 mL of CaCl2. Both suspensions were sonicated for 10 minutes separately. Subsequently, they were mixed and briefly sonicated for another 20 minutes and stirred for 12 hours at room temperature. To recover calcein-loaded ssOSCs (ssOSCs@calcein), they were washed and centrifuged at 40,000 g for 30 min with EtOH (10 mL x 3 times) and water (10 mL x 3 times). The resulting material was finally functionalized with the positive silane as mentioned previously, resuspended in dH2O, and kept at 4°C until coated with the 3C- lipid formulation.
Il contenuto di calceina caricato all'interno delle ssOSCs ? stato analizzato mediante UV-VIS, spettroscopia di fluorescenza, TEM, FTIR, e DLS (Figura 12). Le ssOSCs caricate con calceina hanno mostrato un diametro idrodinamico compreso tra 20 e 40 nm (paragonabile alle NP vuote). L'analisi della carica superficiale dei campioni ha dimostrato che il potenziale zeta delle OSC non ? cambiato dopo l'incapsulamento della calceina, essendo ancora negativo. L'analisi FTIR ha dimostrato la presenza dei picchi di silice insieme alle bande caratteristiche della calceina. Sono stati registrati gli spettri di emissione e il modello di assorbimento della nanoparticella all'eccitazione a 480 nm. Tutti questi dati hanno dimostrato che la calceina ? stata incapsulata con successo. The calcein content loaded within the ssOSCs was analyzed by UV-VIS, fluorescence spectroscopy, TEM, FTIR, and DLS (Figure 12). The calcein-loaded ssOSCs showed a hydrodynamic diameter ranging from 20 to 40 nm (comparable to empty NPs). Surface charge analysis of the samples demonstrated that the zeta potential of the OSCs did not change after calcein encapsulation, remaining negative. FTIR analysis demonstrated the presence of silica peaks along with the characteristic calcein bands. The emission spectra and absorption pattern of the nanoparticle upon excitation at 480 nm were recorded. All these data demonstrated that calcein was successfully encapsulated.
Quindi, le ssOSCs caricate con calceina a carica superficiale positiva sono state coperte elettrostaticamente con la formulazione di fosfolipidi 3C<- >come descritto in precedenza. La Figura 13 dimostra la corretta ricopertura lipidica delle NPs caricate con calceina. L'analisi FTIR ha dimostrato la presenza delle bande caratteristiche provenienti dalla struttura della silice, della molecola della calceina e dei lipidi sulla loro superficie. L'analisi DLS ha mostrato un diametro idrodinamico di circa 130 nm e una carica superficiale negativa delle ssOSCs caricate con calceina dopo la ricopertura con la formulazione lipidica 3C-. Then, the ssOSCs loaded with positively surface-charged calcein were electrostatically coated with the 3C<- >phospholipid formulation as previously described. Figure 13 demonstrates the successful lipid coating of the calcein-loaded NPs. FTIR analysis demonstrated the presence of characteristic bands originating from the silica structure, the calcein molecule, and the lipids on their surfaces. DLS analysis showed a hydrodynamic diameter of approximately 130 nm and a negative surface charge of the calcein-loaded ssOSCs after coating with the 3C- lipid formulation.
La doxorubicina (20 mg) ? stata sciolta in 5 mL di EtOH e sonicata per 10 minuti. Quindi, sono state aggiunte le nanogabbie (ssOSCs@DOX), brevemente sonicate per altri 20 minuti e agitate per 12 ore a temperatura ambiente. Successivamente, per forzare l'incapsulamento, ? stato sfruttato il vuoto e il campione ? stato posto nel rotavapor per alcuni minuti fino a completa evaporazione del solvente. Doxorubicin (20 mg) was dissolved in 5 mL of EtOH and sonicated for 10 minutes. Then, nanocages (ssOSCs@DOX) were added, briefly sonicated for another 20 minutes, and stirred for 12 hours at room temperature. Subsequently, to force encapsulation, vacuum was used, and the sample was placed in a rotavapor for a few minutes until the solvent had completely evaporated.
I nanomateriali caricati con doxorubicina sono stati caratterizzati da DLS, potenziale zeta, FTIR e spettro di assorbimento. Le immagini TEM hanno confermato che anche dopo l'incapsulamento della doxorubicina, le NP erano ancora monodisperse e con un diametro di circa 20 nm (Figura 14A). Il DLS delle ssOSCs@DOX (Figura 14B), corroborato dai risultati del TEM, ha confermato che la doxorubicina era incapsulata all'interno del poro delle NP piuttosto che attaccata alla superficie. Inoltre, il potenziale zeta delle ssOSCs@DOX era nell'intervallo delle NP vuote (-8,3 ? 1,3 mV). Negli spettri FTIR di Figura 14C, sono stati osservati i picchi caratteristici delle NP organosiliciche insieme alle bande principali della doxorubicina (il caratteristico picco acuto a 1727 cm<-1 >? correlato al carbonile (C=O) della doxorubicina pura). Infine, ? stato registrato anche lo spettro di assorbanza delle ssOSCs@DOX che mostra un picco massimo di assorbimento a 470 nm (Figura 14D). The doxorubicin-loaded nanomaterials were characterized by DLS, zeta potential, FTIR, and absorption spectra. TEM images confirmed that even after doxorubicin encapsulation, the NPs were still monodisperse and had a diameter of approximately 20 nm (Figure 14A). DLS of the ssOSCs@DOX (Figure 14B), corroborated by the TEM results, confirmed that doxorubicin was encapsulated within the pore of the NPs rather than attached to the surface. Furthermore, the zeta potential of the ssOSCs@DOX was in the range of empty NPs (-8.3 ≤ 1.3 mV). In the FTIR spectra of Figure 14C, the characteristic peaks of the organosilicon NPs were observed together with the main bands of doxorubicin (the characteristic sharp peak at 1727 cm<-1 >? related to the carbonyl (C=O) of pure doxorubicin). Finally, the absorbance spectrum of the ssOSCs@DOX was also recorded, showing a maximum absorption peak at 470 nm (Figure 14D).
Le ssOSCs@DOX sono state quindi funzionalizzate con l'ammino-silano e ulteriormente ricoperte con i lipidi negativi, come precedentemente descritto per i campioni caricati con calceina. La Figura 15A nell'I.S. include gli spettri FTIR dei lipidi ssOSCs@DOX-NH2-negativi. ? possibile osservare la presenza delle bande caratteristiche provenienti dai gruppi organosilicici, dai legami disolfuro rompibili, dal fingerprint della doxorubicina e dalle bande lipidiche. Il diametro idrodinamico ottenuto da DLS era di circa 100 nm (Figura 15B) e il potenziale zeta era di -29,2 /- 2,2 mV, dimostrando ancora una volta il successo del rivestimento del nucleo di silice con il guscio lipidico. The ssOSCs@DOX were then functionalized with amino-silane and further coated with the negative lipids, as previously described for the calcein-loaded samples. Figure 15A in the SI includes the FTIR spectra of the ssOSCs@DOX-NH2-negative lipids. The presence of characteristic bands from the organosilicon groups, cleavable disulfide bonds, the doxorubicin fingerprint, and the lipid bands can be observed. The hydrodynamic diameter obtained by DLS was approximately 100 nm (Figure 15B), and the zeta potential was −29.2/−2.2 mV, again demonstrating the successful coating of the silica core with the lipid shell.
Esempio 12 - Coniugazione del lipide funzionale DSPE-PEG (2000) Maleimide con un peptide o anticorpo per aumentare il targeting e l?homing verso cellule tumorali delle nanoparticelle rivestite Example 12 - Conjugation of DSPE-PEG (2000) Maleimide functional lipid with a peptide or antibody to enhance targeting and homing of coated nanoparticles towards tumor cells
Una delle caratteristiche chiave delle formulazioni lipidiche qui proposte ? la loro possibilit? di essere adattate alla patologia di interesse, grazie alla presenza del lipide funzionale DSPE-PEG(2000) Maleimide. Infatti, tramite semplici reazioni chimiche ? possibile coniugare al gruppo maleimide delle biomolecule, quali proteine, peptidi e anticorpi o frammenti di anticorpi che espongano gruppi tiolo (-SH) e/o cisteine. One of the key features of the lipid formulations proposed here is their ability to be adapted to the pathology of interest, thanks to the presence of the functional lipid DSPE-PEG(2000) Maleimide. In fact, through simple chemical reactions it is possible to conjugate biomolecules, such as proteins, peptides and antibodies or antibody fragments that expose thiol (-SH) and/or cysteine groups, to the maleimide group.
Coniugazione con peptide di targeting Conjugation with targeting peptide
Ad esempio, per essere selettivi verso il recettore Wnt-2 presente tra le altre su cellule della linea tumorale di pancreas (PDAC), come Bx-PC3, ? stato costruito un peptide custom-made, chiamato CKAAKN For example, to be selective towards the Wnt-2 receptor present among others on cells of the pancreatic cancer cell line (PDAC), such as Bx-PC3, a custom-made peptide called CKAAKN was constructed.
?Development of doped ZnO-based biomimicking and tumor-targeted nanotheranostics to improve pancreatic cancer treatment? CANCER NANOTECHNOLOGY, 2022, Vol. 13, Article n.37, pp. 1-24, ISSN. 1868-6966, doi: 10.1186/s12645-022-00140-z.; ?Development of doped ZnO-based biomimicking and tumor-targeted nanotheranostics to improve pancreatic cancer treatment? CANCER NANOTECHNOLOGY, 2022, Vol. 13, Article n.37, pp. 1-24, ISSN. 1868-6966, doi: 10.1186/s12645-022-00140-z.;
?Dual drug loaded nanotheranostic platforms as a novel synergistic approach to improve pancreatic cancer treatment? PARTICLE & PARTICLE SYSTEMS CHARACTERIZATION, 2023, 2200138, pp.1-16, ISSN: 1521-4117, doi: 10.1002/ppsc.202200138), e legato al lipide DSPE-PEG(2000) Maleimide sfruttando la cisteina, come di seguito riportato. Analogamente per essere selettivi verso cellule che sovraesprimono la proteina EphinA2 (quali cellule di melanoma, osteosarcoma, tumore al colon-retto, per citarne alcuni) ? stato costruito il peptide di targeting chiamato YSA ?An ephrin mimetic peptide that selectively targets the EphA2 receptor? J BIOL CHEM. 2002, 277(49), pp.46974-9. doi: 10.1074/jbc.M208495200). ?Dual drug loaded nanotheranostic platforms as a novel synergistic approach to improve pancreatic cancer treatment? PARTICLE & PARTICLE SYSTEMS CHARACTERIZATION, 2023, 2200138, pp.1-16, ISSN: 1521-4117, doi: 10.1002/ppsc.202200138), and linked to the DSPE-PEG(2000) Maleimide lipid using cysteine, as reported below. Similarly, to be selective towards cells that overexpress the EphinA2 protein (such as melanoma, osteosarcoma, colorectal cancer cells, to name a few), the targeting peptide called YSA was constructed ?An ephrin mimetic peptide that selectively targets the EphA2 receptor? J BIOL CHEM. 2002, 277(49), pp.46974-9. doi: 10.1074/jbc.M208495200).
Il lipide DSPE-PEG(2000) Maleimide e il peptide di interesse sono stati sciolti in N,N-Dimethylformamide (DMF, Sigma Aldrich) in rapporto molare 3:1, alla concentrazione di 37.5 mM e 50 mM, rispettivamente. Quindi, la soluzione di peptide ? stata diluita in 0.1 M di buffer sodio fosfato (PBS, pH 7.4) e la soluzione di lipide DSPE-PEG(2000) Maleimide ? quindi stata aggiunta, ottenendo una miscela 1:1 DMF/PBS e contenente 5 mM di peptide e 15 mM di lipide funzionale. La reazione ? avvenuta per 1 ora a temperature ambiente e la miscellanea risultante di lipide coniugato a peptide (quindi DSPE-PEG(2000)-CKAAKN o DSPE-PEG(2000)-YSA), ? stata congelata a -20?C e conservata come stock. Prima dell?uso, l?aliquota di interesse viene diluita 1:10 in etanolo e poi inserita nella formulazione lipidica finale per rivestire le nanoparticelle. The DSPE-PEG(2000) Maleimide lipid and the peptide of interest were dissolved in N,N-Dimethylformamide (DMF, Sigma Aldrich) in a 3:1 molar ratio, at concentrations of 37.5 mM and 50 mM, respectively. Then, the peptide solution was diluted in 0.1 M sodium phosphate buffer (PBS, pH 7.4) and the DSPE-PEG(2000) Maleimide lipid solution was then added, obtaining a 1:1 DMF/PBS mixture and containing 5 mM peptide and 15 mM functional lipid. The reaction took place for 1 h at room temperature and the resulting lipid-peptide conjugate mixture (i.e. DSPE-PEG(2000)-CKAAKN or DSPE-PEG(2000)-YSA), was obtained. It was frozen at -20°C and stored as a stock. Before use, the aliquot of interest was diluted 1:10 in ethanol and then incorporated into the final lipid formulation to coat the nanoparticles.
Esempio 13 - Internalizzazione in cellula delle formulazioni con lipide funzionale coniugato ad agenti di targeting Example 13 - Internalization in cells of formulations with functional lipid conjugated to targeting agents
Per verificare il corretto ricoprimento delle nanoparticelle con la formulazione di lipidi e la bioconiugazione con il peptide funzionale di targeting, i peptidi custom-made CKAAKN o YSA sono stati formulati anche con una colorazione con molecole difluoresceina isotiocianato (FITC, da Bio-Fab Research) e quindi legate al lipide funzionale DSPE-PEG(2000) maleimide, come descritto sopra. Il vantaggio ? quindi che il lipide funzionale bioconiugato con il peptide colorato risulta visibile con tecniche di spettroscopia UV-Visibile e fluorescenza, microscopia in fluorescenza e citofluorimetria. La molecola di colorante FITC pu? infatti essere eccitata auna lunghezza d?onda di 488 nm e rilevata a lunghezze d?onda di 500-550 nm. To verify the correct coating of the nanoparticles with the lipid formulation and the bioconjugation with the functional targeting peptide, the custom-made CKAAKN or YSA peptides were also formulated with a difluorescein isothiocyanate (FITC, from Bio-Fab Research) dye molecule and then linked to the functional lipid DSPE-PEG(2000) maleimide, as described above. The advantage is therefore that the functional lipid bioconjugated with the colored peptide is visible with UV-Visible and fluorescence spectroscopy techniques, fluorescence microscopy and flow cytometry. The FITC dye molecule can in fact be excited at a wavelength of 488 nm and detected at wavelengths of 500-550 nm.
Esempio su cellule tumorali di pancreas Example on pancreatic cancer cells
Come riportato in Figura 16, le nanoparticelle di ZnO rivestite con la formulazione 3C<- >sono state incubate con colture di cellule tumorali del pancreas Bx-PC3 per 24 ore. I lipidi 3C<- >danno un discreto aumento dell?internalizzazione rispetto alle nanoparticelle tal quali (in figura ? espressa la% di eventi positivi rispetto alle cellule di controllo non trattate) a indicare che le cellule trattate con ZnO-3C<- >sono in grado di internalizzare o immobilizzare sulla loro superficie le nanoparticelle. In presenza del peptide di targeting, in questo caso CKAAKN l?internalizzazione in cellula aumenta notevolmente. La colorazione del peptide di targeting in questo caso non ha compromesso I siti di riconoscimento delle cellule, permettendo una elevate internalizzazione sia con il peptide di targeting non colorato sia con quello colorato con FITC. As reported in Figure 16, ZnO nanoparticles coated with the 3C<- > formulation were incubated with cultures of Bx-PC3 pancreatic cancer cells for 24 hours. The 3C<- >lipids gave a modest increase in internalization compared to the nanoparticles as is (the figure shows the % of positive events compared to untreated control cells), indicating that the cells treated with ZnO-3C<- > were able to internalize or immobilize the nanoparticles on their surface. In the presence of the targeting peptide, in this case CKAAKN, internalization into the cell increased significantly. The staining of the targeting peptide in this case did not compromise the cell recognition sites, allowing for high internalization with both the unstained and FITC-stained targeting peptide.
Esempio su cellule tumorali del colon-retto Example on colorectal cancer cells
In un altro caso d?uso si ? visto come le NPs di ZnO rivestite con la formulazione 3C<- >bioconiugata con peptide di targeting YSA diretto verso cellule tumorali del colon retto (linea HT-29), per la quale ? stato svolto uno studio di citotossicit? (Figura 17A), dimostrando che le particelle ricoperte sono significativamente meno citotossiche delle nanoaparticelle non ricoperte fino alle concentrazioni pi? alte. Si ? successivamente dimostrato che grazie alla bioconiugazione con il peptide YSA, le nanoparticelle sono in grado di essere maggiormente internalizzate in cellula rispetto alle particelle ricoperte con la stessa formulazione lipidica, ma senza peptide (Figura 17B). ? comunque da notare l?elevata biomimeticit? della formulazione lipidica di per s?, che viene ampiamente internalizzata gi? in elevata% anche senza il peptide specifico. E infine stato condotto un test di emocompatibilit?, trattando del plasma con le particelle tal quali e le particelle ricoperte con la formulazione 3C-, bioconiugata o meno con il peptide YSA e misurando il tempo di coagulazione del plasma a seguito del trattamento. La Figura 17C riporta i risultati di tale esperimento e mostra come i campioni di nanoparticelle ricoperte, sia con che senza il peptide producono un tempo di coagulazione che non differisce da quello del plasma da solo, dimostrando l?emocompatibilit? del nanocostrutto e, indirettamente, il corretto ricoprimento delle particelle con la formulazione lipidica. In another use case, ZnO NPs coated with the 3C<- > formulation were bioconjugated with the YSA targeting peptide directed towards colorectal cancer cells (HT-29 cell line), for which a cytotoxicity study was carried out (Figure 17A), demonstrating that the coated particles were significantly less cytotoxic than uncoated nanoparticles up to the highest concentrations. It was subsequently demonstrated that thanks to the bioconjugation with the YSA peptide, the nanoparticles were able to be internalized into the cell to a greater extent than particles coated with the same lipid formulation, but without the peptide (Figure 17B). However, it is worth noting the high biomimetic quality of the lipid formulation itself, which was internalized to a high extent even without the specific peptide. Finally, a hemocompatibility test was conducted by treating plasma with the particles as is and the particles coated with the 3C- formulation, bioconjugated or not with the YSA peptide, and measuring the plasma clotting time following treatment. Figure 17C reports the results of this experiment and shows how the samples of coated nanoparticles, both with and without the peptide, produced a clotting time that did not differ from that of plasma alone, demonstrating the hemocompatibility of the nanoconstruct and, indirectly, the correct coating of the particles with the lipid formulation.
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