Nanoparticelle fluorescenti per applicazioni biomediche

Le applicazioni della fluorescenza rivestono un ruolo chiave in un numero crescente di discipline, dalla biologia molecolare, alla chimica analitica, all'optoelettronica. L'elevata risoluzione spaziale e temporale, insieme a un eccellente rapporto segnale-rumore, rendono la fluorescenza un metodo ideale per lo studio della struttura e della dinamica della materia e dei sistemi viventi su scala molecolare e nanometrica. I fluorofori più comunemente usati, molecole organiche o complessi metallici, presentano di frequente problemi di luminosità e fotostabilità. Questi limiti possono essere superati attraverso l’incapsulazione in nanoparticelle ceramiche o polimeriche. L'inclusione di fluorofori organici in nanoparticelle di silice, in particolare, offre numerosi vantaggi. La silice rappresenta una matrice ideale, trasparente alla luce visibile e relativamente inerte rispetto ai processi fotofisici. I fluorofori, protetti dall’ambiente esterno, godono di una elevata resistenza al photobleaching, mentre la loro presenza in numero elevato all'interno di ogni particella conferisce a queste un’elevata luminosità. Le nanoparticelle di silice sono anche sistemi estremamente versatili. La facilità della sintesi consente la realizzazione di strutture complesse attraverso architetture core-shell a strati multipli, ciascuno drogato con una specie diversa. La superficie, a sua volta, può essere funzionalizzata con molecole o macromolecole che ne controllino l'interazione chimica con l'ambiente e la stabilità colloidale in diversi solventi, o fungere da piattaforma multivalente per la realizzazione di sistemi supramolecolari. Questi sistemi trovano applicazione soprattutto nei campi del drug delivery, dell’imaging cellulare e della sensoristica. L’emissione di fluorescenza intensa e stabile consente infatti di seguire il movimento delle nanoparticelle nell'ambiente intracellulare tramite microscopia ottica. Queste si prestano quindi ad essere sfruttate, ad esempio, come vettori per il trasporto di carichi terapeutici che fungano allo stesso tempo da traccianti per l'imaging dei tessuti malati, oppure come sonde fluorescenti per l’imaging cellulare in vitro, applicato allo studio di problemi biologici di base. Questo lavoro di tesi tratta, in particolare, dello sviluppo di vettori per un farmaco antitumorale e di nuove strategie sintetiche che aprono la strada alla realizzazione di vettori più complessi. Nel capitolo 1 sono illustrate le proprietà, i metodi di sintesi e alcune applicazioni delle nanoparticelle di silice drogate con specie fluorescenti. Particolare attenzione è dedicata alle applicazioni biologiche. Nel capitolo 2 viene introdotta la terapia fotodinamica (o PDT, acronimo di photodynamic therapy), un trattamento non invasivo per la cura di una varietà di malattie tumorali e di altra natura. Le sue potenzialità cliniche sono note da più di un secolo, ma l’uso in terapia oncologica è relativamente recente. Il trattamento si articola in due fasi: la somministrazione di un farmaco fotoattivo (un fotosensibilizzatore) che si accumula nei tessuti malati, e l’irraggiamento selettivo di questi con luce focalizzata. La fotoattivazione del farmaco innesca una cascata di eventi che conduce alla distruzione dei tessuti irraggiati. Nel capitolo 3 vengono descritti la sintesi e la caratterizzazione di vettori per fotosensibilizzatori basati su nanoparticelle di silice nelle quali il farmaco è legato covalentemente alla matrice. La coniugazione con molecole che conferiscano al vettore le funzionalità desiderate è uno dei vantaggi chiave dell’uso di nanoparticelle in terapia fotodinamica. Per facilitare queste modifiche e renderle il più possibile versatili, è stato progettato un vettore modulare la cui superficie fosse decorata con siti di ancoraggio per molecole recanti una funzionalità complementare. Questa strategia di funzionalizzazione è stata messa alla prova funzionalizzando le nanoparticelle con un derivato del polietilenglicole. Nel capitolo 4 viene descritta la preparazione di nanoparticelle di silice modificate con gruppi organici (ORMOSIL) drogate con meta-tetra(idrossifenil)clorina (mTHPC), un fotosensibilizzatore di seconda generazione. Lo studio del destino di questi nanovettori e della molecola incapsulata al loro interno in seguito all’esposizione a fluidi biologici e cellule viventi ha fornito risultati inattesi. I risultati ottenuti suggeriscono che il trasporto di farmaci incapsulati in nanosistemi possa essere più complesso di come appare. Viene presentato un saggio fluorimetrico basato sul trasferimento energetico che può essere utile per determinare senza ambiguità se un farmaco intrappolato fisicamente venga trasportato nelle cellule ancora associato al nanosistema o segua una strada diversa. Nel capitolo 5 vengono illustrate le caratteristiche salienti delle nanoparticelle di silice mesoporose e i problemi legati alla loro sintesi. Vengono inoltre presentate alcune applicazioni nel campo del drug delivery e della sensoristica. Nel capitolo 6 viene presentato un vettore alternativo, basato su nanoparticelle di silice mesoporose. È stata concepita una strategia sintetica innovativa, nella quale l’agente templante è una fase inorganica idroliticamente instabile, e il trattamento di rimozione del templante consiste nel semplice scambio di solvente con acqua a temperatura ambiente. La sintesi proposta è la trasposizione su scala nanometrica di un processo noto da decenni: la produzione di vetri di silice con pori di dimensioni nanometriche a partire da vetri borosilicati, ottenuta inducendo una separazione di fase e rimuovendo selettivamente la fase ricca di boro per idrolisi. Nel capitolo 7 sono raccolte le procedure sperimentali relative all’attività di ricerca descritta in questo lavoro di tesi.