Veicolazione batteriofago-guidata di nanoparticelle di politiofene come fototrasduttori per il trattamento delle malattie neurodegenerative

Abstract

Le malattie neurodegenerative (come il morbo di Alzheimer e il morbo di Parkinson) colpiscono circa 50 milioni di persone in tutto il mondo senza una cura definitiva e rappresentano un grave onere sociale ed economico. Pertanto, esiste un urgente bisogno di strategie terapeutiche alternative per alleviare i sintomi nei pazienti affetti da queste condizioni. È stato precedentemente dimostrato che nanoparticelle polimeriche semiconduttive costituite da poli(3-esiltiofene) (P3HT-NP) sono in grado di stimolare neuroni denervati “on demand” in seguito all’eccitazione tramite luce visibile, principalmente attraverso un meccanismo capacitivo. Grazie alla loro elevata tollerabilità, le P3HT-NP costituirebbero un eccellente candidato per il trattamento non invasivo delle malattie neurodegenerative, se fosse reso disponibile un sistema di rilascio adeguato. In questa tesi è stata sviluppata una terapia innovativa basata su un virus batteriofago M13 ingegnerizzato come veicolo per le P3HT-NP. Il fago M13 è ideale per questo scopo poiché è caratterizzato da una buona biocompatibilità nelle cellule dei mammiferi, dalla propensione ad attraversare la barriera emato-encefalica e può essere geneticamente modificato per essere indirizzato verso specifiche sottopopolazioni neuronale. È stato innanzitutto ottimizzato un protocollo per la sintesi di nanoparticelle monodisperse di 40 nm di diametro da un derivato del P3HT che possiede un gruppo N-succinimidil-estere (NHS) per ciascuna unità ripetitiva del polimero (NHS-NP). Successivamente, è stato impiegato l'accoppiamento basato su NHS per coniugare con successo le NHS-NP con molecole di crescente complessità (etilendiammina e anticorpi) e con il fago M13. È stata infine verificata la preservazione dell'integrità strutturale del fago M13 dopo aver permeato un modello bidimensionale di barriera emato-encefalica.

Neurodegenerative diseases (like Alzheimer's and Parkinson’s diseases) affect about 50 million people worldwide with no definitive cure and represent a major social and economic burden. Therefore, there is an urgent need for alternative therapeutic strategies to alleviate symptoms in patients suffering from these conditions. It has been previously shown that semiconductive polymeric nanoparticles made of poly(3-hexylthiophene) (P3HT-NPs) are able to stimulate denervated neurons “on demand” upon visible light excitation, mainly through a capacitive mechanism. Thanks to their high tolerability, P3HT-NPs would constitute an excellent candidate for the non-invasive treatment of neurodegenerative diseases, if a suitable delivery system were made available. This thesis aimed at developing an innovative therapy based on an engineered M13-bacteriophage virus (M13-phage) as cargo for the P3HT-NPs. M13-phage is ideal for this purpose as it is characterized by good biocompatibility in mammalian cells, capability of crossing the Blood-Brain-Barrier (BBB) and can be genetically engineered to achieve neuronal-targeting specificity. Here, it was first optimized a protocol for the synthesis of 40 nm, monodispersed nanoparticles from a P3HT-derivative possessing one N-succinimidyl-ester (NHS) group for each repetitive unit of the polymer (NHS-NPs). Subsequently, NHS-based coupling was employed to successfully crosslink NHS-NPs with molecules of increasing complexity (ethylenediamine and antibodies) and with the M13-phage. It was eventually verified the preservation of M13-phage structural integrity after permeating a 2-dimensional model of BBB.