SVILUPPO DI NUOVI SISTEMI NANOVETTORIALI PER IL RILASCIO CONTROLLATO E SELETTIVO DI FARMACI E MOLECOLE ATTIVE

The present work was aimed at developing novel nanovectorial systems for the controlled and selective anticancer drugs release. Colloidal carriers were designed to improve the biopharmaceutical and therapeutic properties of anticancer drugs, in which the drug is chemically or physically entrapped. Two different drug delivery systems with specific chemico-physical characteristics for physical or chemical drug conjugation were designed. In the first part of the project an amphiphilic graft copolymer based on pullulan backbone was synthesized. Hydrophobic and hydrophilic domains were introduced along the polysaccharide backbone to yield self-assembling structure in aqueous buffer, suitable for the delivery of anticancer drugs. The conjugates were obtained by reductive amination of oxidized pullulan with 5β-cholanic acid (hydrophobic domain) and PEG (hydrophilic domain). The reaction conditions were properly set up to obtain polymers with different characteristics. The polymers were characterized by chromatographic and spectrometric analysis to evaluate the chemico-physical properties of the new derivatives (composition, CMC, size). The drug carrier properties where investigated by using paclitaxel, and [(ESDT)AuBr2], as drug models. A comparative study was carried out by formulating [(ESDT)AuBr2] with β-cyclodextrin, 2-Hydroxylpropyl-β-cyclodextrin and methyl-β-ciclodestrin. The obtained colloidal carriers loaded with the metal drug were evaluated both in vitro and in vivo for the cytotoxicity and pharmacokinetic behavior. The second part of the project was aimed at developeding polymeric prodrugs for the active and passive cancer targeting which exploit EPR effect (enhanced permeability and retention). The recognition properties bestowed by the targeting moiety. Pullulan has been used as backbone for the bioconjugation of doxorubicin as model drug and folic acid for tumour cell targeting molecule. Doxorubicin was grafted via acid sensitive hydrazone bond, that can release the free drug in the peculiar physio-pathologic conditions of the tumor. The targeting agent was conjugated through a PEG spacer. PEG was grafted to guarantee either the carrier solubility or to allow for folic acid recognition of folic acid receptor overexpressing tumour cells. The release of doxorubicin from the polymeric prodrug was evaluated in physiologic condition (PBS pH 7.4 and plasma) and in acetate buffer pH 5,5. In vitro studies on cancer and endothelial cells demonstrate that the polymer is able to guarantee the intracellular drug release. The in vivo properties were evaluated with pharmacokinetic studies.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo studio di vari sistemi colloidali supramolecolari per la veicolazione di farmaci antitumorali in grado di migliorare le caratteristiche biofarmaceutiche, stabilità e solubilità, e terapeutiche permettendo ad un rilascio controllato e mirato del farmaco al sito di azione. Per raggiungere questo obiettivo, sono stati progettati alcuni sistemi supramolecolati ottenibili attraverso tecniche di bioconiugazione di funzioni molecolari con diverse proprietà chimico-fisiche e biofarmaceutiche con una struttura a base di pullulano. Sistemi colloidali sono stati quindi sviluppati sia per l’intrappolamento fisico che per la bioconiugazione al farmaco della struttura supramolecolare. Per l’intrappolamento fisico di farmaci sono stati sintetizzati polimeri anfifilici in grado di autostrutturarsi in ambiente acquoso per formare strutture di tipo micellare. Per ottenere bioconiugati farmaci-polimero sono invece state messe a punto alcune metodiche di bioconiugazione in grado di consentire il rilascio del farmaco in particolari condizioni microambientali. Strutture autoassemblanti sono state ottenute mediante derivatizzazione del pullulano con acido 5β-colanico (dominio idrofobico) e ammino PEG (dominio idrofilico). Sono stati studiati vari protocolli di sintesi in modo da ottenere polimeri con definite caratteristiche farmaceutiche. I bioconiugati ottenuti sono stati caratterizzati mediante analisi 1H-NMR e UV-Vis per valutare la composizione chimica. Si sono quindi condotti studi fluorimetrici per calcolare la concentrazione micellare critica, Light Scattering Dinamico per determinare le dimensioni micellari e infine studi biofarmaceutici impiegando il paclitaxel come farmaco modello e un farmaco a base di oro (III) [(ESDT)AuBr2]. Studi di attività antitumorale sono stati condotti mediante test cellulari. Parallelamente sono state studiate le proprietà biofarmaceutiche e di attività cellulare di formulazioni del complesso dell’oro [(ESDT)AuBr2] con β-ciclodestrine, 2-idrossipropil-β-ciclodestrine e metil-β-ciclodestrine. Studi in vivo sono stati infine condotti per valutare il profilo farmacocinetico delle formulazioni. Per quanto riguarda invece la bioconiugazione di farmaci al pullulano sono stati sviluppati due prodotti per il direzionamento passivo e per il direzionamento attivo al tessuto tumorale. Infatti, grazie all’effetto EPR (enhanced permeability and retention), sistemi colloidali tendono ad accumularsi preferenzialmente nei tessuti tumorali. L’inserimento di funzioni direzionanti consente invece il riconoscimento di strutture espresse dalle cellule tumorali e quindi un accumulo attivo. Lo studio è stato condotto impiegando doxorubicina come farmaco modello. Il pullulano è stato dapprima funzionalizzato per inserire nel backbone polimerico folico funzioni tioliche e amminiche. L’acido folico è stato coniugato alle funzioni amminiche per ottenere un sistema targeting. Ai gruppi tiolici dei residui di cisteamina è stata invece legata la doxorubicina tramite uno spaziatore idrazonico che si idrolizza a pH debolmente acido ed è quindi in grado di rilasciare il farmaco. Studi spettrometrici e cromatografici sono stati condotti per caratterizzare il bioconiugato dal punto di vista chimico-fisico. È stata quindi studiata la cinetica di idrolisi a pH 5.5 e a pH fisiologico (7.4) in tampone e in plasma, per verificare se il sistema fosse in grado di rilasciare il farmaco a livello plasmatico o invece selettivamente negli endosomi. Studi con colture cellulari sia tumorali che endoteliali hanno permesso di valutare il potenziale terapeutico del bioconiugato e la sua capacità di entrare selettivamente in cellule esprimenti il recettore per l’acido folico. Infine è stato valutato il profilo farmacocinetico in topi Balb/C.