Studio del processo di fusione di membrane lipidiche in presenza di nanoparticelle

Abstract

Le nanoparticelle d’oro funzionalizzate sono state oggetto negli ultimi decenni di intensi studi nella ricerca biomedica. Diverse applicazioni delle nanoparticelle in questo ambito, come il trasporto mirato di farmaci, implicano l’interazione delle nanoparticelle con la cellula e, quindi, con la membrana cellulare, barriera selettiva che protegge la cellula. Per poter progettare nanomateriali versatili e dal comportamento controllato risulta essenziale studiare in modo approfondito questa interazione. A questo scopo sono ampiamente utilizzate membrane biomimetiche, ossia membrane lipidiche modello della membrana cellulare. Recentemente si è scoperto che nanoparticelle d’oro con funzionalizzazione anfifilica sono in grado di indurre un processo di fusione tra membrane lipidiche. Questa tesi ha approfondito lo studio di questo fenomeno al variare della fluidità della membrana, preparando liposomi di diversa composizione e modulando la fluidità della membrana attraverso il contenuto di colesterolo. Il processo di fusione è stato studiato mediante spettroscopia di fluorescenza, utilizzando due tecniche che hanno fornito informazioni complementari sul mescolamento dei lipidi di membrana e sull’unificazione dei compartimenti acquosi delle vescicole. La seconda tecnica ha permesso di ottenere informazioni anche sulla permeabilizzazione della membrana. I risultati ottenuti con entrambe le tecniche mostrano che una quantità maggiore di colesterolo in membrana porta ad un aumento del grado di fusione. Inoltre è stato osservato che le nanoparticelle sono in grado di indurre la fusione solo in presenza di ioni bivalenti, in particolare è stata indagata l’azione degli ioni calcio e magnesio. In sintesi, i risultati ottenuti suggeriscono che il processo di fusione risulti da un’azione sinergica di nanoparticelle, ioni bivalenti e colesterolo. Gli esperimenti effettuati pongono le basi per studi futuri che permettano di giungere alla conoscenza del processo a livello molecolare.

In recent decades, functionalized gold nanoparticles have been the subject of intensive biomedical research. Several applications of nanoparticles in the biomedical field, such as targeted drug delivery, involve the interaction of the nanoparticles with the cell and in particular with the cell membrane, the selective barrier that protects the cell. Therefore, to design versatile nanomaterials with controlled behaviour, an in-depth study of the interaction between the cell membrane and nanoparticles is essential. Biomimetic membranes, i.e. lipid membranes that model the cell membrane, are widely used to this purpose. Recently, it has been discovered that gold nanoparticles with amphiphilic functionalization can induce a fusion process between lipid membranes. This aspect has been investigated in this thesis taking into account the effect of membrane fluidity. To this purpose, unilamellar lipid vesicles of different composition were prepared and membrane fluidity was modulated by varying the amount of cholesterol in the membrane. The fusion process was studied by fluorescence spectroscopy, with two techniques providing complementary information on membrane lipid mixing and vesicle aqueous content mixing. The second technique also provided information on membrane permeabilization. The results obtained with both techniques show that a higher amount of cholesterol in the membrane leads to an increase in the extent of fusion. Furthermore, it was observed that nanoparticles are able to induce fusion only in the presence of divalent ions, in particular the effects of calcium and magnesium ions were investigated. In summary, the results suggest that the nanoparticle-mediated membrane fusion process results from a synergistic action of nanoparticles, divalent ions and cholesterol. The experiments carried out in this thesis lay the foundations for future studies aimed to gain insight into the fusion process at the molecular level.