Sintesi e caratterizzazione avanzata di nanomedicine per il trattamento di patologie cerebrali

Nanomedicine has demonstrated its potential to offer innovative therapeutic and diagnostic solutions for many hard-to-treat diseases, ranging from cancer and vaccines to neurodegenerative, and cardiovascular pathologies. This highlights its promise in revolutionizing the medical field. By protecting the drug, and optimizing its biodistribution and pharmacokinetics, nanoparticles have enabled improved treatment efficacy and patient outcomes. To bridge the translational gap between basic research and industrial development, as well as to better predict the behaviour of nanoparticles in vivo, a range of advanced techniques for both the synthesis and characterization of these nanomaterials has been developed and implemented in the nanomedicine development pipeline. Over the last few years, microfluidics has become a preferable method in nanomedicine formulations due to the reproducibility, scalability, and precision of the process. In parallel, given the complexity of nanomedicines, advanced technologies have been integrated in the characterization stage, attempting to delve into the surface properties of nanoparticles, which play a critical role in their interaction with biological systems. In my PhD project, various types of nanomedicines have been developed and characterized for the treatment of brain pathologies. The approach involved leveraging the self-assembly properties of lipids and polymers to encapsulate therapeutic agents like drugs or genetic material. In addition, to enhance their ability to cross the blood-brain barrier and accumulate more effectively in the brain, certain nanomedicines were engineered with specific peptides. For the synthesis, different methodologies have been employed, spanning from traditional techniques like thin lipid film hydration method and single emulsion, to more advanced methods such as flow mixing based on microfluidics, using syringe pumps and high-throughput systems. To achieve a comprehensive overview of the resulting nanomedicines, both standard and advanced characterization techniques were used. Gold-standard methods, including dynamic light scattering, zeta potential measurements, and liquid chromatography-mass spectrometry, have been complemented by cutting-edge techniques, such as nanoparticle tracking analysis, asymmetric flow field-flow fractionation, Raman spectroscopy, and surface plasmon resonance imaging. These advanced and innovative technologies offer a more detailed picture of quality features such as particle size distribution, particle concentration, surface functionalization, and reproducibility, thereby helping in the optimization of nanomedicine synthesis and the understanding of their performance. The insights gained from this research lay the foundation for optimizing nanomedicine design and improving their ability to cross the blood-brain barrier, ultimately advancing the potential for effective treatments of brain pathologies.

La nanomedicina ha dimostrato il suo potenziale nell'offrire soluzioni terapeutiche e diagnostiche innovative per molte malattie difficili da trattare, dal cancro ai vaccini, dalle patologie neurodegenerative a quelle cardiovascolari, rivelandosi una speranza per rivoluzionare il campo della medicina. Proteggendo il farmaco e ottimizzandone la biodistribuzione e la farmacocinetica, le nanoparticelle hanno permesso di migliorare l'efficacia dei trattamenti farmacologici e la qualità di vita dei pazienti. Per colmare il divario traslazionale tra la ricerca di base e lo sviluppo industriale, nonché per prevedere meglio il comportamento delle nanoparticelle in vivo, varie tecniche avanzate per la sintesi e la caratterizzazione di questi nanomateriali sono state sviluppate e implementate nella pipeline di sviluppo di nanofarmaci. Negli ultimi anni, la microfluidica è diventata uno dei metodi di sintesi più utilizzato in nanomedicina grazie alla riproducibilità, alla scalabilità e alla precisione del processo. Parallelamente, data la complessità dei nanofarmaci, sono state incluse nella fase di caratterizzazione diverse tecnologie avanzate, con lo scopo di approfondire le proprietà superficiali delle nanoparticelle, le quali giocano un ruolo critico nella loro interazione con i sistemi biologici. Nel mio progetto di dottorato sono state sviluppate e caratterizzate varie tipologie di nanomedicine per il trattamento di patologie cerebrali. L'approccio seguito si è basato sulla possibilità di sfruttare le proprietà di autoassemblaggio di lipidi e polimeri per incapsulare agenti terapeutici come farmaci o materiale genetico. Inoltre, alcune nanomedicine sono state ingegnerizzate con peptidi specifici per migliorare la loro capacità di attraversare la barriera emato-encefalica e accumularsi più efficacemente nel cervello. Per la sintesi sono state impiegate diverse metodologie, che spaziano da tecniche tradizionali come il metodo di idratazione del film lipidico sottile e l'emulsione singola, a metodi più avanzati come la miscelazione, utilizzando pompe a siringa e sistemi ad alto rendimento. Per ottenere una panoramica completa sulle proprietà chimico-fisiche delle nanomedicine sintetizzate, sono state utilizzate tecniche di caratterizzazione sia standard che avanzate. I metodi gold-standard, tra cui la diffusione dinamica della luce, le misure del potenziale zeta e la cromatografia liquida accoppiata alla spettrometria di massa, sono stati affiancati da tecniche all'avanguardia, come l'analisi del tracciamento delle nanoparticelle, il frazionamento asimmetrico campo-flusso, la spettroscopia Raman e la risonanza plasmonica di superficie. Queste tecnologie avanzate e innovative offrono un quadro più dettagliato delle caratteristiche fisiche e chimiche delle nanoparticelle, come la distribuzione delle dimensioni, la concentrazione, la funzionalizzazione della superficie e la riproducibilità, aiutando così nell'ottimizzazione della sintesi delle nanomedicine e nella comprensione delle loro prestazioni. Le conoscenze acquisite da questa ricerca pongono le basi per un'ottimizzazione del design delle nanomedicine e per un miglioramento della loro capacità di attraversare la barriera emato-encefalica, favorendo le possibilità di sviluppare trattamenti efficaci per le patologie cerebrali.