Appunti di Bionanotecnologie 2024 - Nanomedicina

OSSERVAZIONI:

Metodo più utilizzato il 2) con il mix di copolimeri

 L’1) non viene molto utilizzato perché bisogna fare delle reazioni chimiche sulla

 particella

I lipidi vengono sfruttati perché avendo affinità con le membrane cellulari permettono

 una maggior circolazione della particella

NANOPARTICELLE INTELLIGENTI

Def: è una particella in grado di rispondere ad uno stimolo applicato dall’esterno

nanoparticelle inorganiche

di ferro e nanoparticelle d’orola loro risposta allo stimolo dipende dalla loro

ossidi

nanodimensione

nanoparticelle organiche

la risposta ad uno stimolo in questo caso non dipende dalla dimensione nano,ma da questo

dipende la loro capacità di trasporto all’interno dell’organismo

che non viene dall’esterno bensì

è però possibile includere una risposta allo stimolo

dall’ambiente patologicocambiamento struttura polimericatipicamente

della si

disintegra per rilasciare farmaco sono 3:

Gli stimoli che si possono sfruttare di un ambiente patologico

1. La concentrazione di proteine ed enzimi

2. Lo stato ossidativo

3. Il pH

(bisogna menzionare l’angiogenesi alterataeffetto EPRquesto però rientra nel trasporto

passivo)

1.concentrazione di proteine ed enzimi

I tumori tendono a richiamare proteine per degradare la matrice extracellulare,questo perché

hanno bisogno di più spazio e perché in questo modo le cellule tumorali che si vogliono

staccare riescono a migrare in un altro posto

2.lo stato ossidativo

Ambiente con mancanza di ossigeno perché non ci sono abbastanza nutrienti

3.il pH

Un ambiente con poco ossigeno in uno stato ipossico avrà anche un alterato pH

Queste condizioni non sono solo tipiche dei tumori, ma anche dei tessuti infetti con elevata

proliferazione batterica in cui si ha un alterato stato metabolico e condizioni più acide.

anche i modi che si possono sfruttare per il rilascio di farmaco sono 3:

-quando la particella riceve lo stimolo il polimero si disintegra completamente rilasciando il

farmaco

-polimero con legame stimolo sensibile unito al farmaco.Quando si ha lo stimolo si rompe

solo il legame

-polimero stimolo sensibile che sta solo nella superficie e si disintegra liberando la particella

PH-RESPONSIVE NANOPARTICLES

dei gruppi funzionali scegliendo come modificarli o di

funzionalizzazione

aggiungerli

-è possibile sfruttare le variazioni di pH fra i vari tessuti degli organies: tra 1-

stomaco (pH

3) dove non si vuole che la cellula rilasci farmaco in quanto lo degraderebbe per via del pH

acido e intestino(pH tra 6-8) dove si vuole che la cellula rilasci in quanto molto vascolarizzato

e quinid adatto al trasporto nel momento in cui la nanoparticella entra nei vasi sanguigni

farmaci introdotti per via orale

-si sfrutta il pH acido nei tessuti tumorali e nei tessuti con elevata proliferazione batterica

-è possibile avere diversi pH all’interno dei compartimenti cellulari(esterno pH: 7.4 e interno

pH acido (endosoma) con parti ancora più acide (lisosoma))

GRUPPI FUNZIONALI SFRUTTATI

Gruppi carbossilici (-COOH)

 Carica: I gruppi carbossilici possono diventare negativi quando perdono un protone

e si trasformano in anioni carbossilato (−COO−)

 Acidità/Basicità: Sono acidi perché donano protoni in soluzione.

Gruppi amminici (NH2)

 Carica: I gruppi amminici possono diventare positivi quando accettano un protone,

trasformandosi in cationi ammonio (−NH3+)

 Acidità/Basicità: Sono basici perché accettano protoni in soluzione.

ESEMPIO:NANO PARTICELLA pH SENSIBILE PER IL RILASCIO NEL TRATTO

GASTROINTESTINALE

Obiettivo: rilascio nell’intestino e non nello stomaco

Costituzione nanoparticella polimerica:

-porzione interna idrofobica di policaprolattone (PCL)

-porzione esterna idrofilica di PEG

-catene laterali del PEG formate da acido polimetacrilico PMMA che contiene GRUPPI

CARBOSSILICI

Funzionamento:

-nello stomaco pH acido i gruppi carbossilici accettano protoni il PMMA si stabilizza e si

ripiega formando una seconda protezione sulla particella che ne RITARDA il rilascio di

farmaco per via diffusiva

-nell’intestino pH basico quindi i gruppi carbossilici si deprotonano ,il gruppo si carica

negativamente e il rivestimento si apre per repulsione tra cariche negativefuoriuscita di

farmaco velocizzata

Profilo di rilascio:

-a pH=3 dopo 8 ore il rilascio è del 40%

-a pH=7.4 dopo 8 ore il rilascio è del 80%

-NON dire che a pH acido non c’è rilascio

-rilascio diffusivopoco controllabile

ESEMPIO: GI RELEASE (RILASCIO NEI TUMORI)

-Si usano particelle con gruppi funzionali che si destabilizzano a pH acido così che si aprano

e rilascino farmaco

-gruppi amminici

Es: polimero idrofilico e idrofobico come prima con farmaco antitumorale doxorubicina e

gruppi funzionali NH2

Profilo di rilascio:

-a pH=7.4 in 24 ore il 20%

-a pH=5.5 in 24 ore l’80%

ESEMPIO:GUSCIO POLIMERICO REATTIVO PER RILASCIO CELLULARE

Struttura:

-particella di ossido di silicio con canali nanodimensionati in cui viene inserito il

farmacofacili ma anche facile dispersione

da caricare,

-rivestimento tramite polimero pH sensibile

Funzionamento:

-particella entra nella cellula viene inglobata da un endosoma che ha pH acido perciò il

polimero inizia a degradare rilasciando farmaco

-l’endosoma si trasforma in lisosoma,diminuisce il pH,aumenta il rilascio

-viene espulsa solo la parte inorganica della particella dal lisosoma mentre tutto il farmaco

è stato rilasciato

ESEMPIO:RILASCIO ON/OFF FARMACO

-si lega il farmaco chimicamente farmaco-particella pH sensibile

-es:doxorubina+particella d’orogruppo chimico:gruppo idrazone che si destabilizza a pH

acido

-totale rilascio, MA si altera la struttura del farmaco con il legame chimico

Sintesi:nanoparticelle costituite da polimeri pH sensibili:

- Sono le maggiormente utilizzate

- Possiamo usare polimeri pH sensibili che presentano gruppi acidi o basici che caricandosi

in diverse condizioni di pH destabilizzano la struttura perdendo l’integrità della particella che

rilascia il farmaco.

- Rivestimenti di altre strutture

- Legami chimici pH sensibili che si destabilizzano in specifiche condizioni di pH in cui

avverrà il rilascio. Miglior controllo di diffusione ma potenziale degradazione/inattivazione

del farmaco.

NANOPARTICELLE SENSIBILI AGLI ENZIMI

Siti patologicienzimi che degradano la matrice extracellulare per constentire alle cellule

patogene di metastatizzare in altri siti

-polimeri sensibili alla concentrazione di enzimipossiedono sequenze che sono substrati

di enzimi

Procedimento:

-si lega il farmaco alla particella con un LINKER il linker ha una sequenza degradabile

dall’enzima che consente il rilascio di farmaco

ESEMPIO: ENZIMI METALLOPROTEASI (MMP)

-enzima presente nei tumori polmonari e nelle ferite cronichedegradano la matrice

extracellulare e fanno spazio ai microvasi sanguigni

-STRUTTURA ENZIMA SENSIBILE PROTETTA DA PARTICOLARI CONDIZIONI DI PH

Struttura:

 NANOCOMPLESSO 1:(CPX1) extracellulare) che

nanoparticella di gelatina(componente polimerica della matrice

verrà degradata dagli enzimi MMPPOLICATIONE(carica positiva)

ARTIFICIALE

DOXORUBICINA+DNA

Come funziona la doxorubicina?? Farmaco citotossico che si lega al DNA

mandandolo in apoptosisi sfrutta proprio questa sua proprietà per

trasportalaCARICA NEGATIVA

i due si legano per stabilità delle cariche e in generale la particella presenta

CARICA POSITIVA

L’MMP si trova anche nel fegatobisogna superare questa barriera

 NANOCOMPLESSO 2:(CPX2) negativa che si pone sulla superficie per

strato protettivo di ALGINATO: carica

creare il complessonon sensibile all’MMPnon degradato

presenta gruppi

l’alginato -COOH + linker PH sensibile+istidina

Funzionamento:

1. linker stabile al pH del fegatono degradazione

2. pH del tumore acidoil linker si stacca e il rivestimento si destabilizza

liberando gelatina+farmaco+DNA

3. gelatina degradata dagli enzimi MMP

4. DNA libero degradato dagli enzimirilascio di farmaco

Risultati:

-accumulo del solo CPX1 solo nel fegato

-curva di sopravvivenzamaggiore possibilità con CPX2

REDOX-SENSITIVE NANOPARTICLES

Si sfrutta la differente concentrazione di specie ossidanti o riducenti tra l’interno e l’esterno

della cellula. In questo caso si sfrutta la concentrazione di GSH che è una specie riducente

presente in grande quantità all’interno delle cellule e in proporzioni ancora maggiori nelle

cellule tumorali.

GLUTATIONE:GSH

Quando interviene per proteggere la cellula da un ambiente altamente ossidato (radicali

liberi e specie ossidative) passa alla forma ossidata GSSG

Come capire se una cellula ha un ambiente ad alto contenuto ossidativo??

-Se il rapporto GSH/GSSG è basso significa che il denominatore è alto quindi la

concentrazione di GSSG è maggioremolto GSH si è ossidatoalto stress ossidativo.

- Se invece il rapporto GSH/GSSG è alto significapiù GSH si trova nella sua forma ridotta,

pertanto, non si sta ossidando. poco stress ossidativo

Concentrazioni:

GSH all’interno della cellula2-10 mM

GSH all’esterno2-20 microM

GSH cellula tumoraleancora più basso

ESEMPIO:PARTICELLE REDOX SENSIBILI

Struttura:

-micella con porzione idrofobica interna(acido deossicolico) e idrofilica esterna(acido

ialuronico). Tra le due c’è un link di LEGAME DISULFIDE (ss) che viene ridotto per azione

del GSH

Funzionamento:

-particella arriva per effetto EPR

-Parte idrofilica TARGETING acido ialuronico che riconosce le cellule

ATTIVO

tumoralientra all’interno

-il legame disulfide viene ridotto dal GSH,la parte idrofobica e idrofilica si staccano

Parte idrofobicarilascio

 farmaco

Risultati:

-particelle di controllonessun rilascio anche ad alte concentrazioni di GSH

-con -ss- rilascio accellerato per concentrazioni anche pari a quelle delle cellule sane

-non c’è rilascio per concentrazioni basse di GSH come condizione extracellulare

BARRIERE BIOLOGICHE ALLA CIRCOLAZIONE DELLE NANO MEDICINE

Le nano medicine sono promettenti nelle applicazioni ma le loro potenzialità sono state

sovrastimate a causa dell’utilizzo di modelli animali troppo semplificati quindi all’inizio non

si sono capiti i limiti del passare da animale a uomo ma si sono osservati solo i vantaggi.

PRESENZA DI BARRIERE

Il primo ostacolo è sorpassar