Modeling of bioinorganic nanosystems for active targeting, drug delivery and cell membrane penetration in cancer therapy

The computational modeling of functionalized bioinorganic nanosystems and their interaction with biological matter is of utmost importance to gain mechanistic insights for the design of efficient nanomedical tools for cancer therapy. In this PhD thesis work, state-of-the-art computational methods were employed to study the active targeting of cell surface receptors by titanium dioxide-based nanodevices, the loading of chemotherapeutic drugs on graphene oxide (GO) carriers, and the cell membrane penetration by GO nanoconjugates. Classical molecular dynamics (MD) simulations were employed, in combination with enhanced sampling methods for rare events sampling and free energy estimation. To effectively address the large size of the modeled systems, massively parallelized computing codes and graphics processing unit (GPU) accelerators were utilized. As a first case study, the interaction of a ligand-conjugated PEGylated 2.2 nm-sized titanium dioxide nanoparticle (NP) with its target cell surface receptor, was investigated through all-atom MD simulations. The impact of the targeting ligands density was evaluated by modeling three nanodevices with the same dense polyethylene glycol (PEG) coating and a different density of cyclic RGD ligands (cRGD), targeting integrin αVβ3, overexpressed by cancer cells. MD simulations showed that cRGDs are exposed out of the PEG layer at all tested densities. However, higher cRGD densities favor ligands clustering. The ligand binding to the integrin αVβ3 pocket was proved to be stable even in the presence of the nanodevice. For the nanodevice/target complex, it was observed that the extent of the overall interaction established by the nanodevice with the protein surface increases with the number of cRGDs. These findings underscore the influence of the ligand density in the nanodevice/target interaction. Secondly, the drug loading mechanism of the chemotherapeutic drug doxorubicin (DOX) on uncoated or polymer-coated GO nanocarriers was unveiled at all-atom level. Two models of a 5 nm-sized GO dots with different arrangements of the oxygen-containing functional groups, i.e., a homogeneous or inhomogeneous oxidation, were built. Both GO dots were functionalized with PEG and cRGD to provide them with stealth and targeting properties. The metadynamics method accelerated the sampling of DOX adsorption and desorption on GO dots, at physiological and slightly acidic pH. The (in)homogeneity of the surface oxidation was found to strongly affect the DOX adsorption free energy, whereas the functionalization with PEG and decoration with cRGD do not alter it significantly. These results support the use of stealth and targeting coatings for GO and provide insights into the impact of the homogeneity of oxidation. Finally, the translocation of uncoated or polymer-coated 5 nm-sized GO nanostructures across model cell membranes was examined by coarse-grained modeling, because of the large system size and long timescales involved. Distinct polymer coatings were considered, which differ in the grafting density, end-group charge, and hydrophobic/hydrophilic character. By means of umbrella sampling simulations, the presence and the features of the polymer coating was correlated with the stability of the nanoconjugates inside the lipid membrane. It was found that the GO nanoconjugate with a dense PEG coating tends to escape from the membrane. On the contrary, either the use of a low-density of PEG or the inclusion of polyethylene (PE) units in the polymer coating stabilize the nanoconjugate within the membrane's hydrophobic core. Hence, the PEG density is a tunable parameter that may be readily adjusted to govern the spontaneity of GO membrane penetration. In conclusion, the findings of this PhD thesis represent a significant advance in our understanding of how the surface functionalization of biomedical nanodevices affects their interaction with relevant proteins, drugs and biomolecules at a molecular level.

La modellazione di nanosistemi bioinorganici e della loro interazione con la materia biologica è di estrema importanza per la progettazione di nanodispositivi da utilizzare per la terapia del cancro. In questo lavoro di tesi di dottorato, sono stati impiegati metodi computazionali per studiare il targeting attivo di recettori transmembrana da parte di nanodispositivi a base di biossido di titanio, il caricamento di farmaci chemioterapici su vettori di ossido di grafene (GO) e la penetrazione della membrana cellulare da parte di nanostrutture di GO. Sono state impiegate simulazioni di dinamica molecolare (MD) classica, in combinazione con metodi di campionamento potenziato. Sono stati utilizzati codici di calcolo massivamente parallelizzati e unità di elaborazione grafica (GPU) come acceleratori. Come primo caso studio, è stata analizzata l'interazione di una nanoparticella (NP) di biossido di titanio, di diametro 2.2 nm rivestita di polietilenglicole (PEG) e funzionalizzata con ligandi (cRGD) per il targeting attivo, con il suo recettore target (integrina αVβ3), attraverso simulazioni atomistiche. L'impatto della densità dei ligandi è stato valutato modellando tre NP con lo stesso denso rivestimento di PEG e diversa densità di cRGD. Le simulazioni hanno mostrato che i cRGD sono sempre esposti fuori dallo strato di PEG. Tuttavia, densità più elevate di cRGD favoriscono il raggruppamento dei ligandi. Il legame del ligando con la tasca del recettore è stabile anche in presenza del nanodispositivo. Inoltre, si è osservato che l'entità dell'interazione complessiva tra il nanodispositivo e la superficie della proteina aumenta con il numero di cRGD. Questi risultati sottolineano l'influenza della densità dei ligandi nell'interazione nanodispositivo/recettore. In secondo luogo, è stato investigato il meccanismo di caricamento del farmaco chemioterapico doxorubicina (DOX) su vettori di GO. Sono stati costruiti due modelli di GO di diametro 5 nm, che si differenziano per la disposizione dei gruppi funzionali superficiali, ovvero per un'ossidazione omogenea o disomogenea. Entrambi i modelli sono stati funzionalizzati con PEG e cRGD. Il metodo della metadinamica è stato utilizzato per campionare l'adsorbimento e il desorbimento della DOX sul GO, a pH fisiologico e acido. Si è scoperto che la (dis)omogeneità dell'ossidazione superficiale influenza fortemente l'energia libera di adsorbimento della DOX, mentre la funzionalizzazione con PEG e la decorazione con cRGD non la alterano significativamente. Questi risultati supportano l'uso di rivestimenti di PEG e cRGD per vettori a base di GO. Infine, la traslocazione di nanostrutture di GO di diametro di 5 nm, non rivestite o rivestite di polimeri, attraverso le membrane cellulari è stata esaminata mediante simulazioni di MD a grana grossa, a causa delle grandi dimensioni del sistema e delle lunghe scale temporali coinvolte. Sono stati considerati diversi rivestimenti polimerici, che differiscono per densità, carica dei gruppi terminali e carattere idrofobo/idrofilo. Mediante simulazioni di umbrella sampling, la presenza e le caratteristiche del rivestimento polimerico sono state correlate alla stabilità dei nanosistemi all'interno della membrana lipidica. È emerso che un denso rivestimento di PEG sfavorisce l’attraversamento dalla membrana. Al contrario, sia l'uso di una bassa densità di PEG che l'inclusione di unità di polietilene (PE) nel rivestimento stabilizzano il nanosistema all'interno della membrana. Pertanto, la densità di PEG è un parametro che può essere facilmente regolato per governare la spontaneità della penetrazione della membrana. In conclusione, i risultati di questa tesi di dottorato rappresentano un significativo progresso nella comprensione di come la funzionalizzazione della superficie dei nanodispositivi biomedici influisca sulla loro interazione con proteine, farmaci e biomolecole.