Nanomedicine for Breaking Barriers and improving Brain Diffusion through Tunneling Nanotubes and Implantable Hydrogels

Brain disorders affect millions worldwide and include a wide spectrum of disorders and diseases: among them brain tumors and neurodegenerative diseases are a cause of excessive mortality. Alzheimer's disease is the most prevalent neurodegenerative disorder leading to dementia. It is considered the 6th leading cause of death and in 2020 it contributed to over 121,000 deaths in the United States alone. On the other hand, among brain tumours glioblastoma occurs in about 80 % of the malignant gliomas. In Europe and the United States, it has an incidence of around 3 to 4 cases per 100,000 people annually. Given the low survival, the mortality rate closely matches the incidence rate. While glioblastoma causes rapid and direct mortality, Alzheimer’s causes a progressive decline that can leads to death due to its complications. They are considered serious contributors to overall mortality and they need sophisticated and expensive diagnostic and therapeutic technology due to a limited response to standard-of-care. My PhD thesis focuses on tackling two critical challenges in brain therapy and drug delivery: i) crossing the blood-brain barrier (BBB) and ii) controlling the diffusion of nanoparticles within the brain parenchyma. These issues represent significant obstacles to developing effective treatments for neurological diseases, particularly Alzheimer's disease and glioblastoma. Overcoming these barriers is essential for creating more efficient and targeted therapies for these devastating conditions. In this context, the aim of my thesis project is to address the challenges of brain therapy and drug delivery by exploiting the potentiality of nanomedicine and biomaterial and cell biology knowledges. For AD, I focused the attention on the alteration of cholesterol metabolism, so HDL-like nanoparticles funzionalized with apoA-1 were syntetized in order to enhance the blood-brain barrier crossing and promote the cholesterol efflux. For glioblastoma, I directed my attention on the improvement of nanoparticles brain distribution with two approaches: i) examining the possibility to exploit specialized cellular structures formed by glioblastoma cells, to control the brain distribution of NPs. In particular, I have studied how the shape of nanoparticles influences the efficiency of the TNTs-mediated transfer; ii) designing a new implantable biomaterial (i.e. hydrogel SPI-based) useful to control the local release of NPs in the brain. In conclusion, designing nanoparticles for brain therapy requires careful consideration of a variety of factors, including the choice of ligands for functionalization, as well as the size and shape of the particles, and the experimental models employed. The findings of this thesis contribute valuable insights into these key aspects, addressing the challenges of crossing the blood-brain barrier and enhancing nanoparticle diffusion in brain parenchyma. Ultimately, this work aims to pave the way for innovative therapeutic approaches to treat central nervous system disorders, offering new possibilities for more effective and targeted interventions.

I disturbi cerebrali colpiscono milioni di persone in tutto il mondo e comprendono un ampio spettro di disturbi e malattie: tra questi, i tumori cerebrali e le malattie neurodegenerative sono una causa di mortalità eccessiva. La malattia di Alzheimer è il disturbo neurodegenerativo più diffuso che porta alla demenza. È considerata la sesta causa di morte e nel 2020 ha contribuito a oltre 121.000 decessi negli Stati Uniti. Tra i tumori cerebrali, invece, il glioblastoma rappresenta circa l'80% dei gliomi maligni. In Europa e negli Stati Uniti, ha un'incidenza di circa 3-4 casi ogni 100.000 persone all'anno. Data la bassa sopravvivenza, il tasso di mortalità corrisponde strettamente al tasso di incidenza. Mentre il glioblastoma causa una mortalità rapida e diretta, l'Alzheimer provoca un declino progressivo che può portare alla morte a causa delle sue complicazioni. Sono la causa di una elevata mortalità generale e necessitano di tecnologie diagnostiche e terapeutiche sofisticate e costose a causa della risposta limitata agli standard di cura. La mia tesi di dottorato è focalizzata sull'affrontare due punti critici nella terapia cerebrale e nella somministrazione di farmaci: i) attraversare la barriera emato-encefalica (BBB) e ii) controllare la diffusione delle nanoparticelle all'interno del parenchima cerebrale. Questi problemi rappresentano ostacoli significativi allo sviluppo di trattamenti efficaci per le malattie neurologiche, in particolare il morbo di Alzheimer e il glioblastoma. Il superamento di queste barriere è essenziale per creare trattamenti più efficaci. In questo contesto, lo scopo del mio progetto di tesi è quello di affrontare le sfide della terapia cerebrale e della somministrazione di farmaci sfruttando le potenzialità della nanomedicina e dei biomateriali e le conoscenze di biologia cellulare. Per l'AD, ho focalizzato l'attenzione sull'alterazione del metabolismo del colesterolo, per cui sono state sintetizzate nanoparticelle simili alle HDL funzionalizzate con apoA-1, al fine di migliorare l'attraversamento della barriera emato-encefalica e promuovere l'efflusso del colesterolo. Per quanto riguarda il glioblastoma, ho rivolto la mia attenzione al miglioramento della distribuzione cerebrale delle nanoparticelle con due approcci: i) esaminare la possibilità di sfruttare le strutture cellulari specializzate formate dalle cellule di glioblastoma, per controllare la distribuzione cerebrale delle NPs. In particolare, ho studiato come la forma delle nanoparticelle influenzi l'efficienza del trasferimento mediato dalle TNT; ii) progettare un nuovo biomateriale impiantabile (a base di idrogel SPI) utile per controllare il rilascio locale delle NP nel cervello. In conclusione, la progettazione di nanoparticelle per la terapia cerebrale richiede un'attenta considerazione di una serie di fattori, tra cui la scelta dei ligandi per la funzionalizzazione, nonché la dimensione e la forma delle particelle e i modelli sperimentali impiegati. I risultati di questa tesi contribuiscono ad approfondire questi aspetti chiave, affrontando le sfide dell'attraversamento della barriera emato-encefalica e del miglioramento della diffusione delle nanoparticelle nel parenchima cerebrale. In definitiva, questo lavoro mira ad aprire la strada ad approcci terapeutici innovativi per il trattamento di disordini del sistema nervoso centrale, offrendo nuove possibilità per trattamenti più efficaci e selettivi.