Composti di coordinazione in grado di rispondere ad opportuni stimoli da impiegare come piattaforme per il rilascio di farmaci

I sistemi per il delivery di farmaci (DDSs) sono ampiamente utilizzati per superare i limiti caratteristici di numerosi agenti terapeutici (bassa solubilità, scarsa permeabilità e breve emivita biologica) che possono influenzarne l’efficacia e/o indurre tossicità. I sistemi di delivery polimerici hanno suscitato grande interesse poiché sono in grado di trasportare efficacemente composti bioattivi grazie alle loro peculiari caratteristiche (flessibilità, diversa composizione e proprietà, facile funzionalizzazione, capacità di rispondere a stimoli specifici) e alla presenza di più gruppi funzionali che garantiscono il loading efficiente di agenti terapeutici e il loro rilascio mirato. I polimeri “smart” possono infatti cambiare le loro proprietà strutturali e conformazionali in risposta a segnali esterni e/o fisiologici. Questi processi “on demand” permettono un rilascio controllato dei farmaci sito-specifico evitando/riducendo il loro rilascio nell'ambiente fisiologico sano. I carriers responsivi al pH sono tra i più studiati e utilizzati per la costruzione di piattaforme per la somministrazione di farmaci e sfruttano le differenze di pH che vi sono tra tessuti sani e patologici (dovute all’insorgenza di cancro, infezioni e infiammazioni o tipiche dei diversi compartimenti intracellulari). Nonostante i numerosi sforzi compiuti per la progettazione di sistemi di delivery sensibili alle variazioni di pH, l’analisi quantitativa della forza e della natura delle interazioni che si verificano tra il farmaco e il carrier, che sono fondamentali per garantire l’efficacia di tali sistemi di delivery, viene raramente considerata. Questa tesi di dottorato propone lo studio degli equilibri multipli in soluzione come una valida strategia per la progettazione e lo sviluppo di piattaforme di delivery ottenute dalle interazioni non covalenti che si instaurano tra acido poliacrilico (PAA), un polimero biocompatibile e sensibile al pH, ioni metallici di interesse biologico (Cu(II), Zn(II) o Co(II)) e quercetina (Que) o metotrexato (MTX), scelti come farmaci modello, al fine di ottimizzare la stabilità e la capacità di loading e rilascio del farmaco dei sistemi d’interesse. L’uso della quercetina, un flavonoide con un ampio spettro di attività fisiologiche, è limitato a causa della sua bassa solubilità in acqua, della breve emivita e della biodisponibilità in vivo. L'efficacia del metotrexato, un agente chemioterapico, è fortemente influenzata dalla sua scarsa solubilità, dalla breve emivita nel flusso sanguigno e dall’insorgenza di fenomeni di farmaco-resistenza. Inoltre, questo farmaco manca di selettività verso cellule neoplastiche e ciò determina l’insorgenza di gravi effetti collaterali. Nel Capitolo II sono descritti i composti di coordinazione (assemblies) contenenti quercetina. La capacità del flavonoide di formare specie complesse con gli ioni metallici e il polimero PAA e la formazione dei complessi è stata studiata in soluzione acquosa a pH 7.4 e 25 °C mediante spettroscopia UV-Vis e calorimetria isoterma di titolazione (ITC). Gli studi di speciazione hanno dimostrato che la Que può formare una specie complessa ML con tutti gli ioni metallici e una specie ML2 con Cu(II) e Co(II). Grazie alle titolazioni calorimetriche sono stati determinati i parametri termodinamici che guidano la formazione delle specie complesse metallo-quercetina. Sebbene Que e PAA non siano in grado di interagire tra loro, si è dimostrato che la presenza degli ioni metallici ne consente invece l’interazione ed è quindi cruciale per la formazione degli assemblies. I gruppi carbossilici del PAA sono in grado di complessare gli ioni metallici formando specie complesse M(PAA) e M(PAA)2 grazie a processi favoriti e guidati entropicamente. Titolazioni UV-Vis e ITC hanno infine permesso di determinare le specie e la loro stabilità per i sistemi Que-M(II)-PAA in soluzione. La formazione di Que2CuPAA avviene attraverso processi favoriti e guidati entropicamente; la formazione del sistema QueZn(PAA)2 è favorita e guidata entalpicamente mentre per QueCo(PAA)2 il guadagno entalpico ed entropico sono quasi comparabili. La formazione dell’assembly contenente cobalto(II) è stato inoltre studiato all'interfaccia solido-liquido mediante microbilancia a cristalli di quarzo con monitoraggio della dissipazione (QCM-D). Tali esperimenti hanno confermato la capacità del flavonoide di essere adsorbito sul layer metallo-polimero e di venir rilasciato in funzione del pH. La stabilità cinetica degli assemblies contenenti rame(II) e zinco(II) è stata studiata mediante spettroscopia UV-Vis. I composti di coordinazione contenenti Que hanno mostrato un'emivita più lunga di quella del flavonoide libero (che in soluzione acquosa va incontro a degradazione) evidenziando quindi che il sistema a tre componenti migliora la stabilità cinetica della quercetina. La capacità di rilascio di questi assemblies polimerici è stata studiata a diverse condizioni di pH combinando dialisi e spettroscopia UV-Vis per i sistemi contenenti rame(II) e zinco(II) mentre per il sistema contenente cobalto(II) sono stati eseguiti esperimenti QCM-D. Questi studi hanno dimostrato nel complesso che i sistemi sviluppati consento il rilascio della quercetina legata in funzione del pH. Nel Capitolo III sono stati progettati e preparati composti di coordinazione (assemblies) contenenti metotrexato. L’analisi quantitativa delle specie, delle affinità di legame e del profilo termodinamico di tutti gli equilibri che coinvolgono l'agente chemioterapico, gli ioni metallici e l'acido poliacrilico è stata effetuata in soluzione acquosa a 25 °C e pH fisiologico mediante ITC. Il metotrexato forma la specie complessa ML sia con il Cu(II) che con lo Zn(II) e una specie complessa MTXM(PAA)2 quando in presenza di acido poli(acrilico). Processi entropicamente favoriti e guidati, dovuti principalmente alla desolvatazione e alle modifiche conformazionali del sistema polimero-metallo(II) sono responsabili della formazione degli assemblies.. La capacità dell’MTX di legare il sistema metallo-polimero è stata studiata anche all’interfaccia solido-liquido mediante QCM-D. L’MTX è in grado di adsorbirsi sul layer metallo-polimero confermando quindi la sua capacità di interagire e rilasciare il farmaco a pH controllato. Misure di scattering dinamico della luce, potenziale zeta e microscopia elettronica a scansione hanno fornito un’approfondita caratterizzazione delle dimensioni, della carica e della morfologia degli assemblies contenenti MTX. La citotossicità in vitro di tali sistemi è stata studiata sulla linea cellulare di glioblastoma U87 mediante Alamar Blue; i risultati hanno evidenziato una più efficiente attività antitumorale dei sistemi a tre componenti rispetto al farmaco chemioterapico libero. Un'analisi citofluorimetrica delle cellule trattate con i sistemi polimerici contenti gli ioni metallici e il metotrexato ha dimostrato una maggiore produzione di specie reattive dell'ossigeno rispetto al farmaco libero e ai sistemi metallo-polimero che possono quindi essere coinvolti nel meccanismo di morte cellulare. Infine, l'internalizzazione degli assemblies polimerici nelle cellule di glioblastoma è stata osservata mediante microscopia confocale. Infine, l’interazione dei sistemi polimerici con la sieroalbumina umana (HSA) è stata studiata sia in soluzione che all'interfaccia mettendo in evidenza che il processo di binding è principalmente dovuto alle forze elettrostatiche attrattive che si instaurano tra i sistemi interagenti. È stato inoltre sviluppato un sistema poli-lisina-MTX e l'affinità del farmaco verso questo polimero carico positivamente è stato studiata in soluzione acquosa a 25 °C e pH 7,4 mediante esperimenti UV Vis, ITC e QCM-D. Il metotrexato interagisce con la polilisina, un polimero sensibile al pH, formando un complesso stabile grazie ad un processo favorito e guidato entalpicamente. Il rilascio del farmaco da questo sistema polimerico è stato studiato in funzione del pH sia in soluzione che all'interfaccia; entrambi gli studi hanno indicato che il sistema polimero-farmaco non permette un rilascio controllato del farmaco sottolineando così l'importanza degli ioni metallici nella struttura degli assemblies polimerici. Nel Capitolo IV, assemblies contenenti PAA, Cu(II) e MTX sono stati utilizzati per sviluppare sistemi polimerici multistrato utilizzando la tecnica del layer-by-layer con l'obiettivo di favorire il rilascio del farmaco chemioterapico mediante un controllo dal pH. Le nanoparticelle polimeriche sviluppate sono state caratterizzate tramite misure del potenziale ζ, microscopia elettronica a scansione (SEM) e della microscopia elettronica a trasmissione (TEM) che hanno permesso di determinare la carica superficiale, le dimensioni e la morfologia dei diversi sistemi. Ulteriori studi si focalizzeranno sulla capacità di rilasciare l’MTX in maniera controllata in funzione del pH. Nel Capitolo V sono state studiate le proprietà di riconoscimento molecolare di una nuova classe di recettori macrociclici solubili in acqua e carichi negativamente (prismareni, PrS[5]carbossilato e PrS[6]carbossilato), che possono essere impiegati come potenziali sistemi di delivery per farmaci. Specie, costanti di stabilità e forze guida dei processi di interazione con guests caratterizzati da dimensione, forma e cariche diverse sono state determinate in soluzione acquosa a pH neutro mediate esperimenti ITC. I guests sono stati selezionati come molecole modello per esaminare i processi di riconoscimento da parte di carriers che possono essere sfruttati per l'inclusione/trasporto di specie cariche aventi rilevanza biologica. I risultati hanno evidenziato le capacità dei prismareni di includere molecole mono e dicationiche fornendo informazioni cruciali sul ruolo svolto dalle dimensioni e dalla carica. La stabilità dei complessi host-guest formati dal PrS[5]carbossilato è significativamente influenzata dalle caratteristiche strutturali dei guests aventi carica diversa, mentre quella dei complessi formati dal PrS[6]carbossilato è di entità paragonabile per tutti i guest cationici indipendentemente dalle loro proprietà. L'inclusione dei guest monocationici nel PrS[5]carbossilato è guidata da forze attrattive entalpicamente favorevoli mentre, nel caso di PrS[6] carbossililato, l'inclusione dei guest monocationici è favorita e guidata entropicamente mentre l'entalpia guida la complessazione di guest dicationici. Complessivamente, questa tesi di dottorato fornisce un quadro dettagliato sui processi di formazione di composti di coordinazione contenenti farmaci selezionati nonché sulla loro caratterizzazione termodinamica in soluzione e sui meccanismi che coinvolgono interazioni deboli, non covalenti. Queste informazioni si sono rivelate essenziali per una progettazione razionale ed un’efficiente applicazione di tali metal-coordinated assemblies e dei recettori macrociclici in soluzione. Lo studio degli equilibri multipli in soluzione si è dimostrato fondamentale per la messa a punto di sistemi di drug delivery in grado di espletare un ottimale loading e rilascio controllato di opportuni farmaci, nonché un’elevata efficacia sui sistemi biologici target.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2023

Author dc:creator

• SANTONOCETA, GIUSEPPINA DOMENICA GIOVANNA

Contributors dc:contributor

• SORTINO, Salvatore

• drug delivery system
• pH-responsive metal-complexe
• multiple solution equilibria
• speciation
• thermodynamic parameter
• molecular recognition
• quercetin, methotrexate
• poly(acrylic acid)
• ITC, UV-Vi
• QCM-D
• sistemi di drug delivery
• complessi metallici pH-responsive
• equilibri multipli in soluzione
• speciazione, parametri termodinamici
• riconoscimento molecolare
• quercetina, metotrexato
• acido poliacrilico

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/597789

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/597789