“Green” synthetic methodologies for the fabrication of gold nanostructures with photothermal properties for multi-responsive therapies [Metodologie sintetiche “ Verdi” per la fabbricazione di nanostrutture d'oro con proprietà fototermiche per terapie multi-reattive]

The low turnover rate of new drugs, coupled with the multiple drug resistance of cancer cells and bacteria, necessitates the exploration of novel therapeutic approaches. Photothermal (PTT) and photodynamic (PDT) therapies, based on a photo-controlled single-wavelength release of heat and singlet oxygen, offer the benefit of treatment control with an enhanced or synergistic action. This work develops two principal research axes: 1) the preparation of anisotropic gold nanoparticles (AuNPs) via green synthetic procedures for an application in PTT with a particular focus on the development of multimodal therapies to observe additive or synergistic effects; and 2) the preparation of an all-in-one innovative cyclodextrin-based platform that will not only contribute to the formation AuNPs but will be able to report the photothermal activity of the system acting as a fluorescent ratiometric thermometer. Regarding the first approach, two biocompatible reducing agents, curcumin and indigo carmine, were used in association with a β-cyclodextrin (CD) polymer to initiate the nucleation, to stabilize, and to template the resulting anisotropic AuNPs. Both systems demonstrated satisfactory heat generation, and gold particles obtained their shape characterization in collaborations with the University of Padova (Italy) and the University of West Brittany (Brest, France). In vitro studies on E. coli, P. aeruginosa, and ovarian cancer cells were conducted at UMR INSERM 1078 (Brest, France) and demonstrated the photo-induced cytotoxicity of gold nanoparticles obtained from curcumin- and indigo carmine-based syntheses. Moreover, these systems can enhance the solubility of additional molecules of interest, such as photosensitizers for PDT. For instance, the THPP, a Foscan analogue, has demonstrated the production of singlet oxygen in the presence of synthesized gold nanoparticles. In the second approach, investigations were conducted into the design of original fluorescent βCD polymer systems for use as a ratiometric fluorescent thermometer. First, these studies demonstrated the feasibility of the concept using two separate polymers modified with fluorescein and rhodamine B fluorophores. Furthermore, along this polymer mix, we achieved the in situ production of AuNPs using nitric oxide radicals generated from an ad hoc design photoreactive molecule as a reducing agent. Finally, in collaboration with CarboHyde (Budapest, Hungary), labeled monofluorescent CD monomers and original polyfluorescent polymers were synthesized to adapt fluorescent thermometers for different perspectives of use.

Il basso tasso di ricambio dei nuovi farmaci, unito alla resistenza multipla dei farmaci da parte delle cellule tumorali e dei batteri, rende necessaria la ricerca di nuovi approcci terapeutici. Le terapie fototermiche (PTT) e fotodinamiche (PDT), basate sul rilascio foto-controllato di calore e ossigeno singoletto a lunghezza d'onda singola, offrono il vantaggio di un controllo del trattamento con un'azione potenziata o sinergica. Questo lavoro sviluppa due assi di ricerca principali: 1) la preparazione di nanoparticelle d'oro anisotropiche (AuNPs) tramite procedure sintetiche ecologiche per un'applicazione nella PTT, con particolare attenzione allo sviluppo di terapie multimodali per osservare effetti additivi o sinergici; e 2) la preparazione di una piattaforma innovativa all-in-one a base di ciclodestrina che non solo contribuirà alla formazione delle AuNPs, ma sarà anche in grado di segnalare l'attività fototermica del sistema agendo come un termometro raziometrico fluorescente. Per quanto riguarda il primo approccio, sono stati utilizzati due agenti riducenti biocompatibili, la curcumina e l'indaco carminio, in associazione con un polimero β-ciclodestrina (CD) per avviare la nucleazione, stabilizzare e modellare le AuNPs anisotropiche risultanti. Entrambi i sistemi hanno dimostrato una generazione di calore soddisfacente e le particelle d'oro hanno ottenuto la caratterizzazione della loro forma in collaborazione con l'Università di Padova (Italia) e l'Università della Bretagna occidentale (Brest, Francia). Studi in vitro su E. coli, P. aeruginosa e cellule tumorali ovariche sono stati condotti presso l'UMR INSERM 1078 (Brest, Francia) e hanno dimostrato la citotossicità fotoindotta delle nanoparticelle d'oro ottenute da sintesi a base di curcumina e carminio indaco. Inoltre, questi sistemi possono migliorare la solubilità di ulteriori molecole di interesse, come i fotosensibilizzatori per la PDT. Ad esempio, il THPP, un analogo del Foscan, ha dimostrato la produzione di ossigeno singoletto in presenza di nanoparticelle d'oro sintetizzate. Nel secondo approccio, sono state condotte ricerche sulla progettazione di sistemi polimerici βCD fluorescenti originali da utilizzare come termometri fluorescenti raziometrici. In primo luogo, questi studi hanno dimostrato la fattibilità del concetto utilizzando due polimeri separati modificati con fluorofori fluoresceina e rodamina B. Inoltre, insieme a questa miscela di polimeri, abbiamo ottenuto la produzione in situ di AuNP utilizzando radicali di ossido nitrico generati da una molecola fotoreattiva progettata ad hoc come agente riducente. Infine, in collaborazione con CarboHyde (Budapest, Ungheria), sono stati sintetizzati monomeri βCD monofluorescenti marcati e polimeri polifluorescenti originali per adattare i termometri fluorescenti a diverse prospettive di utilizzo.