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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/4787

Title: Carbon nanotechnologies for drug delivery
Authors: Fabbro, Chiara
Supervisor/Tutor: Prato, Maurizio
Co-supervisor: Da Ros, Tatiana
Issue Date: 8-Apr-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Le nanotecnologie si sono sviluppate molto rapidamente negli ultimi decenni, grazie all’invenzione di un crescente numero di tecniche che permettono di lavorare su scala nanometrica. Il grande interesse in quest’area trae origine dalle sue svariate possibili applicazioni in diversi campi, quali l’elettronica, dove la miniaturizzazione ha un ruolo fondamentale, ma la medicina. Infatti, lo sviluppo di un sistema ‘intelligente’ capace di eseguire un compito specifico all’interno del nostro organismo in modo controllato, sia in campo diagnostico che terapeutico, è lo scopo di una nuova branca della ricerca, la nanomedicina. Per raggiungere un così notevole obiettivo, è necessario un vettore di dimensioni nanometriche, e i nanotubi di carbonio (CNTs) rappresentano uno dei migliori candidati. Lo scopo di questo lavoro di tesi era lo studio di questa opportunità e, in particolare, della possibile applicazione di nanostrutture di carbonio per la veicolazione di farmaci. Nell’Introduzione (Capitolo 1), viene fatta una breve panoramica sui CNTs, spiegando le loro più importanti caratteristiche e le questioni fondamentali associate alla loro manipolazione. Vengono descritte le diverse possibilità esistenti per la funzionalizzazione dei CNTs, concentrandosi soprattutto sugli approcci covalenti sfruttati in questa tesi, ossia l’ossidazione e la conseguente amidazione dei gruppi carbossilici così introdotti, e la cicloaddizione 1,3-dipolare di ilidi azometiniche. Sono poi trattate le principali tecniche di caratterizzazione impiegate, illustrandone i vantaggi e le limitazioni. In seguito viene affrontato il tema molto controverso della tossicità dei CNTs, in termini di possibili conseguenze a una loro esposizione e di rischio per chi lavora in questo campo. Infine viene fatto un dettagliato resoconto della letteratura esistente sull’applicazione dei CNTs per la veicolazione di farmaci, ponendo l’accento in particolare sugli svantaggi connessi agli approcci non-covalenti, e focalizzando poi l’attenzione sulle diverse strategie di indirizzamento specifico studiate a oggi nella nanomedicina con i CNTs. Nel Capitolo 2, viene presentato uno studio sull’accorciamento di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNTs), come strategia per ottenere un materiale con migliori caratteristiche di solubilità, estremamente importante per qualsiasi applicazione biomedica. Vengono esplorate due diverse possibilità. Nella prima parte, si descrive il trattamento ossidativo di SWCNTs con una miscela di oleum e acido nitrico, e la loro completa caratterizzazione, per la produzione di nanotubi accorciati e disaggregati, recanti funzioni carbossiliche, con un grande miglioramento nella dispersibilità. In seguito viene descritto un trattamento basico per la rimozione delle impurezze carboniose amorfe introdotte dall’ossidazione. In aggiunta, viene riportato per la prima volta un fenomeno di ri-pristinizzazione dei SWCNTs ossidati, mediante trattamento laser. La seconda parte del Capitolo 2 riguarda l’accorciamento meccano-chimico di SWCNTs, come alternativa all’approccio in soluzione. Vengono mostrate diverse caratterizzazioni complementari dei SWCNTs ottenuti, sottolineando la possibilità, molto interessante, di controllare la qualità del prodotto finale variando le condizioni sperimentali. Il Capitolo 3 tratta la coniugazione covalente di CNTs e anticorpi (Abs), con lo scopo di valutare due diverse opportunità. Gli anticorpi, infatti, possono mediare l’indirizzamento specifico di un nanovettore a base di CNTs, con possibili applicazioni terapeutiche e diagnostiche. Viceversa, i CNTs possono mediare l’internalizzazione cellulare degli Abs, aprendo così la strada a svariate possibilità terapeutiche a livello intracellulare, a oggi inesplorate. La preparazione di diversi coniugati covalenti Ab-CNT viene descritta, utilizzando nanotubi a parete doppia (DWCNTs) o multipla (MWCNTs), e sia Abs interi, sia frammenti degli stessi. Inoltre viene descritta una doppia funzionalizzazione dei CNTs, volta a introdurre simultaneamente una sonda necessaria per gli studi biologici. Vengono poi presentate diverse caratterizzazioni complementari dei coniugati, per dimostrare l’efficacia della strategia covalente adottata, e la preservata capacità dell’Ab legato ai CNTs di riconoscere il suo specifico antigene. Infine, vengono presentati alcuni risultati biologici preliminari. Nel Capitolo 4, viene descritta la funzionalizzazione del fullerene C60 e dei CNTs, sia pristine che ossidati, per lo studio della veicolazione della doxorubicina, un farmaco antineoplastico. Il farmaco viene legato sia in maniera diretta che indiretta, mediante l’introduzione di una catena peptidica scindibile a livello intracellulare, al fine di mediarne il rilascio. Viene data una dettagliata descrizione delle procedure sintetiche adottate, oltre alla caratterizzazione spettroscopica di tutti i composti preparati. Infine vengono illustrati i primi risultati biologici ottenuti sui derivati fullerenici. In conclusione, il presente lavoro di tesi descrive la funzionalizzazione di diversi tipi di CNTs mediante un approccio covalente, con un’analisi critica dei risultati, tramite l’utilizzo di svariate tecniche di caratterizzazione. Tutti i derivati preparati trovano potenziale applicazione nel campo della nanomedicina, contribuendo alla comprensione e allo sviluppo di questa scienza così affascinante e promettente.
Nanotechnology underwent a very rapid development in the last decades, thanks to the invention of different techniques that allow reaching the nanoscale. The great interest in this area arises from the variety of possible applications in different fields, such as electronics, where the miniaturization of components is a key factor, but also medicine. The creation of smart systems able to carry out a specific task in the body in a controlled way, either in diagnosis or in therapy, is the ultimate goal of a newborn area of research, called nanomedicine. In fact, to reach such an outstanding objective, a nanometre-sized vector is needed and carbon nanotubes (CNTs) are among the most promising candidates. The aim of this thesis was to study this opportunity, and in particular, the possible application of carbon nanostructures for drug delivery. In the Introduction (Chapter 1), an overview on CNTs is given, explaining their main features and the key issues associated with their manipulation. The different existing possibilities for CNT functionalization are described, focusing the attention on the covalent approaches exploited in this thesis, namely oxidation and subsequent amidation of carboxyl groups, and 1,3-dipolar cycloaddition of azomethine ylides. The main characterization techniques used are then described, illustrating their advantages and their limitations. Subsequently, the very controversial issue of CNT toxicity is analysed, in terms of possible consequences to CNT exposure and risk for the workers in the field. Finally, a detailed account of the existing literature on CNT application for drug delivery is given, underlining the drawback of non-covalent approaches, and then focusing on the different targeted strategies studied so far in CNT-based nanomedicine. In Chapter 2, a study on shortening of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) is presented, as a strategy to obtain a more soluble material, quite important for any medical application. Two different options are explored. In the first part, an oxidative treatment of SWCNTs, with a mixture of oleum and nitric acid, is described, reporting a detailed characterization, for the production of shortened and disentangled CNTs, bearing carboxyl groups, with a big improvement in dispersibility. Subsequently, an alkaline treatment, for the removal of the amorphous carbonaceous material introduced with the oxidation, is shown. In addition, a laser-mediated re-pristinization of the oxidized SWCNTs is reported for the first time. In the second part of Chapter 2, a mechanochemical shortening of SWCNTs is presented, as an alternative to the wet chemistry approach. Different complementary characterizations of the SWCNTs obtained are shown, to highlight the very interesting possibility to control the quality of the final product, by tuning experimental conditions. In Chapter 3, the covalent conjugation of CNTs and antibodies (Abs) is presented, with the aim of studying two different opportunities. Abs could mediate the specific targeting of a CNT-based nanovector with possible applications in both therapy and diagnosis. On the other hand, CNTs could mediate the cellular uptake of Abs, thus paving the way to a variety of unexplored intracellular, Ab-based, therapeutic possibilities. The preparation of different kinds of covalent Ab-CNT conjugates is described, with both double-walled carbon nanotubes (DWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), using either the whole Ab or smaller fragments. Moreover, a double functionalization strategy is reported, for the simultaneous introduction of a probe, required for biological studies. Different complementary characterizations of the conjugates are presented, to prove the effectiveness of the covalent strategy and the preserved capability of the Ab, bound to CNTs, to specifically recognize its antigen. Also, some preliminary biological data are shown. In Chapter 4, the functionalization of both fullerene C60 and CNTs, either pristine or oxidized, is presented, for studying the delivery of the antineoplastic drug doxorubicin. The drug is attached either directly or introducing a cleavable peptidic sequence to trigger its release inside cells. A detailed account on the adopted synthetic procedure is reported, together with the spectroscopic characterization of all the constructs. Furthermore, preliminary biological data on the fullerene derivatives are presented. In conclusion, the present thesis reports the covalent modification of different kinds of CNTs, described in a critical way, with the aid of many characterization techniques. All the different constructs prepared could find an application in nanomedicine, giving a contribution to the understanding and the development of this fascinating and promising field.
PhD cycle: XXIII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE E FARMACEUTICHE
Description: 2009/2010
Keywords: carbon nanotubes
antibody
doxorubicin
drug delivery
ball milling
re-pristinization
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: CHIM/06 CHIMICA ORGANICA
NBN: urn:nbn:it:units-9031
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