Appunti nanomedicina

Nanomedicina

Biotecnologie Mediche anno 2019-2020

Appunti delle lezioni della prof. Re

Esame 15 domande a scelta multipla (30 minuti) 1 o2 domande sulla parte pratica. Nello stesso giorno



discussione orale

13 gennaio h14 1° appello

Siccome il corpo umano è in pratica un complesso sistema di interazione tra molecole, la tecnologia per

capire a fondo e riparale il corpo è la molecular machine technology nanotecnology



Una conseguenza naturale di questo livello di tecnologia sarà la capacità di analizzare e riparare il corpo

umano con la stessa efficienza con cui ad oggi ripariamo ogni macchinario convenzionale.

Il concetto alla base della nanomedicina: riparare un danno di dimensione nanometriche con prodotti delle

dimensioni giuste. DNA e proteine 1-50 nm



L’idea è di generare delle molecole di queste dimensioni per riparare un danno devo generare delle



nano strutture.

1959 Feynman padre delle nanotecnologie



Per la nanomedicina si parla di strutture nanometriche applicate alla medicina:

- Nanotecnologie

- nanomedicina

- Nanomateriali

- Nanoparticelle

La nanomedicina è un derivato delle nanotecnologie che si

riferisce ad un intervento medico altamente specifico in scala

molecolare per curare malattie e riparare tessuti danneggiati

Nano = < 100 nm

Lo sviluppo di nuovi farmaci e terapie basati su nanotecnologie è guidato dal bisogno di sviluppare terapie

che hanno minori effetti indesiderati e che sono più cost-effective rispetto alle terapie tradizionali.

Le nanotecnologie permettono lo sviluppo di molecole basate sul paziente.

1. Delivery di farmaci di farmaci esistenti per allungarne l’emivita, per ridurre gli

veicolazione

effetti collaterali.

2. Drug targeting utilizzare delle nanoparticelle per portare il farmaco dove è necessario, può



essere un targeting di organo, cellulare o sub cellulare

3. Drug discovery disegno di nuovi farmaci

 1

4. Diagnosi usare nano particelle per monitorare la variazione di biomarcatori



5. Medicina rigenerativa design di strutture per promuovere la deposizione di nuovo tessuto per



riparare il danno

Tra le varie strutture quelle più utilizzate sono nanoparticelle che sono definite come SMART per la diagnosi

e la terapia, grazie alla nanomedicina si può fare una combinazione tra terapia e diagnostica teranostica.



Possiamo veicolare molecole che sono farmaci, agenti di contrato, probe radiomarcate

contemporaneamente nella stessa struttura. Posso veicolare che diverse molecole differenti da un punto di

vista chimico, posso decidere dove mettere il farmaco, in più questa particella può essere modificata 

multi-funzionalizzazioni, questa è utile per diversi aspetti: posso modificarla per aumentare l’emivita,

traghettate nel tessuto di interesse, evitare che venga fagocitata dai macrofagi e posso modificarla con

tante molecole contemporaneamente. Posso portare il farmaco solo dove serve e non disperderlo, quindi

posso utilizzare un quantitativo di farmaco minore e ridurre gli effetti collaterali riducendo la tossicità

sistemica.

Posso quindi controllare le proprietà terapeutiche di un farmaco già in uso.

Posso anche decidere quando deve essere rilasciato il farmaco.

Una nanoparticella ideale:

- Deve essere funzionalizzata in superficie ad esempio con un anticorpo ovvero un ligando che mi

indirizza la particella verso il sito di rilascio del farmaco

- Posso modificare la superficie con molecole come il PEG per evitare che il sistema immunitario la

elimini, sono dei polimeri per mascherare la particella e renderla invisibile

- Posso aggiungere un ligando che compia un targeting nell’organello sub-cellulare di interesse

- Posso modificare la particella in modo che evita la via di degradazione dei lisosomi

- Posso inserire una molecola che favorisca l‘ingresso nella cellula

- Posso inserire un probe magnetico per la diagnostica

Non per forza una particella deve trasportare un farmaco, può essere disegnata in modo che essa stessa sia

un farmaco.

Vi sono molte nanoparticelle che possono essere

classificate come:

- A base lipidica

- A base polimerica sono facili da preparare



- Inorganiche (silica, oro, titanio…) utili per la



diagnostica e perché non sono biodegradabili

- Di origine virale 2

A BASE LIPIDICA

- Liposomi

- Solido-lipidiche (SLM)

LIPOSOMI

Sono state preparate negli anni 50 ed erano usate come

modello di membrane cellulari. Possono essere costituite da

diverse unità lipidiche, sono formati da un doppio strato e un

core acquoso, posso incorporare sia farmaci idrofobici che

idrofilici. Ve ne sono 15 approvati dall’ FDA, sono usati per il

cancro, per i vaccini… i lipidi inoltre sono facilmente

modificabili. Possono essere formati da lipidi naturali, ma anche

da lipidi sintetici.

SOLIDO LIPIDICHE (SLN)

Sono più piccole dei liposomi (50 nm), sono formate da un singolo strato lipidico e

sono riempite di lipidi, hanno la stessa struttura delle lipoproteine. Il core è

grande rispetto a quello dei liposomi, ma possono contenere solo farmaci

idrofobici. Sono spesso usati per il trasporto di acidi nuclei e possono essere

modificati sulla superficie. Hanno un efficiente capacità di incorporare acidi

nucleici, aumentano la penetrazione nei tessuti per il delivery dei farmaci e hanno

una bassa citotossicità e immunogenicità

POLIMERICHE

I polimeri utilizzati sono diversi e sono polimeri biocompatibili e biodegradabili, possono incapsulare sia

strutture idrofiliche che idrofobiche, possono essere modificati sulla superficie. Il quantitativo di farmaco

che possono trasportare è limitato, sono porose e nei pori sono collocati i farmaci.

La dimensione è importante così come la struttura e dipende dalle dimensioni

Il PLGA è uno dei polimeri approvati dall’FDA così come la poliacrilamide, questi polimeri sono definiti come

self-assembling poiché in ambiente acquoso si condensano. Nella preparazione si possono aggiungere

anche delle altre soluzione come stabilizzanti e farmaci in modo da ingegnerizzare le molecole. Posso usare

dei polimeri lineari oppure dei polimeri ramificati che consentono di aumentare la quantità di farmaco.

Vi sono dei polimeri che possono essere usati per creare degli idro-gel, sono delle strutture fatte da

polimeri idrofilici, possono essere usati perché essendo strutture porose possono alloggiare farmaci, ma

anche altre nanoparticelle più piccole e controllarne il rilascio, possono essere usati anche come scaffold. Si

può controllare le dimensioni dei pori per decidere la dimensione delle molecole da incapsulare

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PARTICELLE INORGANICHE

Si possono usare nanoparticelle d’oro. Più una particella è piccola maggiore è la sua superficie.

Si fa una riduzione dell’oro partendo da acido cloro aurico utilizzando trisodio citrato.

Si possono visualizzare con l’imaging, tuttavia non sono biodegradabili e possono essere solamente

modificate in superficie. Nella ricerca contro il cancro nanoparticelle d’oro possono essere usate per

targhettare il tumore e per la detection usando la Surface Enhanced Raman Spectroscopy in vivo. Sono

state analizzate come convertitori fototermici per la luce infrarossa in vivo poiché la luce infrarossa si

trasmette attraverso la pelle e i tessuti

SILICA MESOPOROSA

Ha una forma simile ad un globulo rosso posso mimare qualcosa che

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esiste già nel corpo.

Non essendo biodegradabili possono causare infiammazione.

Posso generare dei pori della dimensione di mio piacimento, le particelle

possono essere riempite con farmaci o coloranti fluorescenti che

altrimenti non sarebberoo in grado di passare la parete cellulare, queste

particelle otticamente sono trasparenti quindi un colorante può essere visto attraverso la parete di silica.

NANO TUBI DI CARBONIO

Sono utilizzati solitamente per la rigenerazione,

possono essere realizzati a forma di tubi o particelle.

Generalmente sono strutture di forma esagonale.

Possono essere usati per il trasporto di farmaci tra

cellule. Possono funzionare come transistor e quindi

possono essere usati come sensori.

- Agenti per il bioimaging

- Delivery di farmaci/geni

- Biosensori

- Rigenerazione tissutale

- Cancro

- Scaffold 3D

Possono essere realizzati a singolo strato (SWNTs) o a multistrato (MWNTs). Il tubo ha un diametro di 1nm

e la lunghezza è variabile. La caratteristica di quelli a singolo layer è che hanno proprietà elettriche e quindi

possono essere usati come sensori e la capacità elettrica può variare a seconda di biomarcatori che sono

connessi.

- Transistor = semiconduttore. I transistor si basano su semiconduttori e un semiconduttore è un

materiale che ha una resistività (o anche una conducibilità) intermedia tra i conduttori (come un

filo di rame) e gli isolanti (come l`aria).

La conduttività di un semiconduttore, cioè la facilità degli elettroni di fluire attraverso un corpo,

dipende da diverse variabili, quali la temperatura o la presenza o meno di elettroni.

Sono delle strutture di carbonio rigide che possono essere disegnate in modo da poter regolare la loro

rigidità resistenza e forza alla trazione. 4

Vi possono essere dei problemi durante la sintesi, soprattutto a causa della perdita di un atomo di

carbonio. I problemi sono connessi con la tossicità. Se si accumulano a livello polmonare possono causare

infiammazioni.

Possono essere usati come biosensori, come vasi sanguigni ovvero possono essere usati come scaffold dove

le cellule endoteliali possono rivestirli per generare dei vasi in caso di problemi vascolari.

Possono essere funzionalizzati sulla superficie in modo da permetter l’attacco della cellula che si vuole

rigenerare. In laboratorio possono essere usati come stampo per il bio-printing.

I nanotubi di carbonio sono i materiali più forti e rigidi mai scoperti in termini rispettivamente di resistenza

alla trazione e modulo elastico. Questa forza deriva dai legami covalenti formati tra i singoli atomi di

carbonio.

Ci si aspetta che tutti i nanotubi siano ottimi conduttori termici lungo il tubo, esibendo una proprietà nota

come "conduzione balistica" (=> capacità di condurre elettricità senza dispersione) ma buoni isolanti

lateralmente all'asse del tubo.

Il loro uso finale, tuttavia, può essere limitato dalla loro potenziale tossicità.

In alcune condizioni, i nanotubi possono attraversare le barriere della membrana e indurre effetti dannosi:

infiammazione, granulomi epitelioidi (noduli microscopici), fibrosi e cambiamenti biochimici / tossicologici

nei polmoni.

Determinare la tossicità dei nanotubi di carbonio è stata una delle domande più urgenti nella

nanotecnologia. Purtroppo, tale ricerca è appena iniziata e i dati sono ancora frammentari e soggetti a

critiche. I risultati preliminari evidenziano le difficoltà nel valutare la tossicità di questo materiale

eterogeneo. Parametri come struttura, distribuzione dimensionale, area superficiale, chimica superficiale,

carica superficiale e stato di agglomerazione, nonché purezza dei campioni, hanno un impatto notevole

sulla reattività dei nanotubi di carbonio.

QUANTUM DOTS

Sono dei fluorofori di origine cristallina usati per l’imaging, sono fatti soprattutto di cadmio, hanno una

dimensione di 10 nm, le loro proprietà ottiche possono essere modulate e solitamente sono visualizzate

nell’infrarosso (650 nm) siccome hanno come finestra di emissione nel vicino infrarosso non vi è il problema

del quenching ovvero dell’assorbimento da parte di macromolecole dei nostri sostituenti.

Sono stati usati per visualizzare cellule tumorali residue, non sono usati per trasportare i farmaci. Anche in

questo caso tendono ad accumularsi e quindi vi sono dei problemi di tossicità.

Hanno una resa quantica elevata e l’emivita della fluorescenza che emettono è elevata. Essendo delle

strutture molto piccole il problema principale è quello della clearance a livello renale. Possono essere

sfruttati vitro. Si è tentato di combinare i QD con dei farmaci tumorali per accoppiare diagnostica e terapia.

- Alta resa quantica rispetto ai comuni coloranti fluorescenti

- Assorbimento della banda larga: la luce che ha una lunghezza d'onda più corta della lunghezza

d'onda massima di emissione può essere assorbita, la lunghezza d'onda di emissione di picco è

indipendente dalla fonte di eccitazione

- Emissione sintonizzabile e stretta, a seconda della composizione e delle dimensioni

- Elevata resistenza al photo bleaching: le particelle inorganiche sono più fotostabili rispetto alle

molecole organiche e possono sopravvivere a tempi di irradiazione più lunghi

- Lunga durata della fluorescenza: la fluorescenza dei punti quantici è compresa tra 15 e 20 ns, che è

superiore alle normali durate della tintura organica.

- Sensibilità di rilevamento migliorata: le nanoparticelle di semiconduttori inorganici possono essere

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caratterizzate con microscopi elettronici

PROBLEMI

- Mettere i farmaci nella particella

- Mantenerlo nella particella

- Tossicità

- Purezza deve essere iniettabile e quindi sterile (GMP)

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- Delivery devo portare il farmaco dove mi serve

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- Deve essere eliminabile

- Il cervello è un tessuto difficile da raggiungere (barriera ematoencefalica)

- La preparazione

09/10/19

LIPOSOMI

I liposomi sono sferici per definizione, sono delle strutture chiuse, il contorno è un doppio strato

fosfolipidico, hanno il core pieno della soluzione acquosa in cui vengono preparati. Il buffer in cui vengono

preparati è lo stesso che è presente nel core, vi sono delle occasioni in cui il cuore contiene un buffer e

l’esterno è diverso (ad esempio con pH diversi). Come dimensione si parte dai 20nm in su. Esiste una

CMC(concentrazione micellare cristica), per far in modo di vere un doppio strato che si incurvi a sfera ho

bisogno di un tot numero di particelle lipidiche 1mM.

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Lo spessore è intorno ai 3-4 nm, la quantità di farmaco che posso incorporare nel doppio strato è piccola

comparato al core acquoso.

Il vantaggio dei liposomi è che non sono tossici e la composizione si può stabilire in base all’utilizzo e in

base al farmaco da incorporare. Possono essere fatti sia da lipidi naturali che da lipidi sintetici. Possono

essere preparati anche su larga scala.

Possono caricare sia molecole idrofiliche che idrofobiche e la struttura è versatile perché posso decidere la

composizione lipidica, se voglio ad esempio una struttura rigida aggiungerò più colesterolo e acidi grassi

saturi. Se voglio che permanga in circolo per più tempo voglio che sia più stabile, se invece voglio un rilascio

immediato voglio una superficie più morbida

Originariamente venivano usati come modelli di membrana, negli anni 90 sono nati i liposomi stealth

ovvero modificati in superficie per essere invisibili ai macrofagi.

Come dimensione devono avere un diametro minimo di 60nm

Da un punto di vista della composizione

questa può essere variabile, si possono

usare tutti i lipidi noti, sono lipidi naturali

non immunogenici e molto sicuri. Posso

mischiare anche lipidi diversi.

I liposomi approvati dall’FDA hanno una

composizione 1:1 sfingomielina –

colesterolo. Questa composizione lipidica

può evitare l’uso del PEG poiché sono

piccoli, rigidi e non attaccabili. 6

I fosfolipidi sono delle molecole anfipatiche con una testa idrofilica e una coda idrofobica composta da due

catene di acidi grassi di diversa lunghezza. In ambiente acquoso spontaneamente formano dei bilayers che

formano delle strutture sferiche chiuse solitamente multilamellari.

Esistono in commercio fosfolipidi con la testa molecolare modificata, ad esempio con il PEG già attaccato, in

questo modo posso evitare reazioni chimiche successive in modo da avere una molecola più pura.

Oppure vi sono dei lipidi che hanno la testa modificata con un gruppo chimico utile per l’attacco di un

ligando.

I fosfolipidi costituiscono almeno il 50% in moli del liposoma, questi si posizionano in maniera autonoma in

un doppio strato e si richiudono a formare una sfera.

Solitamente in soluzione acquosa dei

fosfolipidi formano delle strutture multi

lamellari ovvero possiedono più doppi

strati, da questa preparazione iniziale vi

sono delle procedure che permettono di

ottenere liposomi uni lamellari che sono

composti da un singolo doppio strato

lipidico.

La formazione del doppio strato dipende

dalla composizione lipidica e dalla forma

dei fosfolipidi.

Una micella viene ottenuta usando dei

lipidi che hanno una singola catena di

acidi grassi, le micelle sono più piccole

dei liposomi, userò dei lisofosfolipidi che

formano delle unità a cono.

Utilizzando micelle inverse si ottiene uno

strato multi lamellare che risulta utile per l’utilizzo di farmaci idrofobici.

Il colesterolo viene aggiunto spesso per mantenere la stabilità del liposoma.

Posso anche preparare dei liposomi in cui mischio lipidi diversi. Il lisolipide con una sola coda rende il

doppio strato instabile, questo può essere sfruttato per permettere il rilascio del farmaco, oppure si

possono preparare dei liposomi con dei lisolipidi modificati con una seconda catena riconosciuta dalle

metallo proteasi coinvolte nel riarrangiamento della matrice, queste proteine sono coinvolte nella

tumorigenesi, quindi si vuole generare un lisolipide in modo che le metalloproteasi riconoscano il

frammento addizionale, venga tagliata la coda e quindi il liposoma perda stabilità e rilasci il farmaco.

Vi sono diversi tipi di liposomi che possono essere classificati come:

- Convenzionali

- Stealth con aggiunta di PEG per aum