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Le malattie croniche del fegato sono condizioni a lungo termine che ne compromettono la struttura e la funzione, portando spesso a danni progressivi e a complicazioni potenzialmente gravi. Questa tesi descrive due potenziali approcci per il trattamento di queste malattie: la muteina APOA-I Milano, espressa nel riso e somministrata sotto forma di "latte di riso", è stata impiegata per trattare un modello murino di malattia del fegato grasso non alcolica (NAFLD); la somministrazione di nanoparticelle ANANAS-M caricate con desametasone (ANANAS-Dex-M) in un modello murino di colangite biliare primitiva (PBC). La tesi inizia con un'introduzione generale riguardante le caratteristiche principali di ciascuna malattia, seguita dai due manoscritti in preparazione. Infine, l'ultimo capitolo comprende le conclusioni e le possibili prospettive future di questi lavori in termini di ricerca e rilevanza clinica. I principali risultati ottenuti da questa tesi suggeriscono che il "latte di riso" contenente la muteina umana APOA-1Milano su topi Apoe-/- affetti da steatosi possa influenzare la deposizione lipidica epatica e attenuare la risposta infiammatoria, riducendo così i meccanismi patogenetici della steatosi epatica e della fibrosi. D'altro canto, i topi ARE-Del-/- (sia maschi che femmine) hanno mostrato un aumento significativo in termini di infiammazione e danno biliare rispetto agli animali wild-type (WT), riproducendo la malattia umana. Infine, la somministrazione intraperitoneale di ANANAS-Dex-M si è dimostrata efficace nel veicolare il farmaco al fegato e, dopo iniezioni multiple, è stata in grado di ridurre la fibrosi epatica. Pertanto, questi studi hanno dimostrato come sia possibile utilizzare strategie innovative per il trattamento di due malattie del fegato molto diverse, con l'obiettivo di fornire una possibile soluzione a lungo termine. Questi due approcci potrebbero essere utili per prevenire la progressione verso la fibrosi epatica e la cirrosi., Chronic liver diseases are long-term conditions that affect the structure and function of the liver, often leading to progressive damage and potentially severe complications. This thesis explores two potential approaches for the treatment of these latter diseases: the APOA-I Milano mutein, expressed in rice and delivered in the form of “rice milk” was employed to treat a mouse model of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD); the administration of ANANAS-M nanoparticles loaded with dexamethasone (ANANAS-Dex-M) in a mouse model of primary biliary cholangitis (PBC). The thesis starts with a general introduction to the main features of each disease, followed by the two manuscripts in preparation. Finally, the last chapter includes the conclusions and the possible future perspectives of these works in terms of research and clinical relevance. The main results obtained by this thesis suggest that “rice milk” containing the human APOA-1Milano mutein on steatotic Apoe-/- mice can affect hepatic lipid deposition and attenuate the inflammatory response, thus reducing the pathogenic mechanisms of liver steatosis and fibrosis. On the other hand, ARE-Del-/- mice (both male and female) exhibited significant increases in terms of inflammation and biliary damage compared to wild-type (WT) animals, reproducing the human disease. Finally, the intraperitoneal administration of ANANAS-Dex-M was shown to be effective in delivering the drug to the liver and, after multiple injections, was able to reduce hepatic fibrosis. These studies demonstrated how innovative strategies can be used to target two very different liver diseases, with the goal of providing a possible long-term solution. These two approaches could be useful in preventing the progression to liver fibrosis and cirrhosis.

L’inquinamento atmosferico (AP) sta diventando il principale fattore di rischio ambientale che incide sulla salute pubblica ed è una miscela di diversi componenti, tra cui il particolato ambientale (PM). Tra i principali componenti del PM vi è l’AP legato al traffico, per lo più attribuito alle Diesel Exhaust Particles (DEP). Le nanoparticelle penetrano producono un'infiammazione sistemica che raggiunge la barriera emato-encefalica (BBB), causando danni strutturali e alterazioni funzionali. La BBB è posizionata centralmente nell'unità neurovascolare (NVU), un concetto relativamente recente nelle neuroscienze che descrive la relazione tra i vasi sanguigni e le cellule cerebrali, inclusi neuroni, astrociti, EC, periciti e microglia. Ogni componente è intimamente e reciprocamente legato l’uno all’altro, costituendo un insieme anatomico e funzionale, che si traduce in un sistema preservante l'omeostasi e la funzionalità del microambiente cerebrale. Negli ultimi anni, diversi studi mostrano come il Sistema Nervoso Centrale sia un obiettivo importante per gli effetti avversi sulla salute causati dall’AP, i quali sono associati alle malattie neurodegenerative. Le evidenze scientifiche supportano l’esposizione all’AP come un forte rischio di sviluppo della malattia di Alzheimer (AD) e dimostrano che questa esposizione induce un’alterazione della plasticità sinaptica, sia direttamente che indirettamente. Poiché l’argomento è di fondamentale importanza e le conoscenze al riguardo sono ancora esigue, l’approfondimento di questo tema risulta quanto mai urgente. Pertanto, abbiamo studiato i meccanismi attraverso cui l'AP invalida la neurotrasmissione. Abbiamo esposto fettine di cervello di topo e cellule della NVU in vitro al DEP, un materiale di riferimento standard (SRM), e abbiamo eseguito esperimenti elettrofisiologici attraverso la tecnica di Whole-Cell Patch-Clamp e Calcium Imaging su neuroni corticali piramidali e cellule della NVU, come hCMEC/D3, un modello di, Air pollution (AP) is becoming the prominent environmental risk factor that affects public health and it is a mixture of several components, including ambient particulate matter (PM). One of the main contributors to PM is represented by traffic-related AP, mostly ascribed to Diesel Exhaust Particles (DEP), whose sizes contribute to their biological effects. The smaller ones can penetrate deep into the lungs and produce a systemic inflammation that can reach the Blood Brain Barrier (BBB), causing its structural damage and functional alterations. The BBB is centrally positioned in the Neurovascular Unit (NVU), which is a relatively recent concept in neuroscience that broadly describes the relationship between cerebral blood vessels and brain cells, including neurons, astrocytes, ECs, pericytes and microglia. Each component is intimately and reciprocally linked to each other, establishing an anatomical and functional whole, which results in a highly efficient system that preserve the homeostasis and the functionality of the brain microenvironment. In recent years, human epidemiological and animal studies show how the Central Nervous System is emerging as an important target for adverse health effects of AP, where they may be strongly associated with neurodegenerative disorders. Evidence supports AP exposure as a heavy risk for cognitive decline and the development of Alzheimer’s disease (AD). Moreover, different studies demonstrate how exposure to environmental AP induces synaptic plasticity impairment, both directly and indirectly. Since the topic is of fundamental importance and there are still very few clarifications, the race to gain in-depth knowledge is extremely urgent. Thus, we investigated how AP invalidates the mechanisms on which multiple neurotransmission signals depends, whose function is at the base of memory process. We exposed mice brain slices and in vitro NVU cells to DEP, a standard reference material (SRM), and we performed electrophysiological expe

Il cancro è una delle principali cause di morte nel mondo e glioblastoma e tumore al seno triplo negativo sono due tipologie di tumore caratterizzate da una prognosi sfavorevole e da un alto rischio di recidive. I trattamenti farmacologici oggi a disposizione non sono sufficienti all’ottenimento di una guarigione completa sia a causa della bassa selettività che impedisce l’utilizzo di dosaggi più elevati, sia a causa dello sviluppo di meccanismi di resistenza da parte delle cellule tumorali. In questo contesto le nanoparticelle possono essere sviluppate sia come nuovi trattamenti terapeutici sia per superare alcune limitazioni delle terapie convenzionali. In questo progetto di tesi, ho scelto di utilizzare nanoparticelle di H-ferritina (HFn), una forma ricombinante di ferritina che possiede alcune caratteristiche che la rendono un buon candidato per migliorare i trattamenti terapeutici già disponibili per questi due tumori. L’HFn è infatti biocompatibile, la sua cavità interna può essere utilizzata per il caricamento di farmaci e molecole di detection e la sua superficie può essere facilmente modificata sfruttando i numerosi gruppi funzionali esposti verso l’esterno. La HFn è, inoltre, in grado di legarsi al recettore della transferrina (TfR1), over-espresso dal 98% dei tumori solidi. Tale recettore è over espresso anche dalle cellule endoteliali che compongono la barriera ematoencefalica, rendendo così la HFn in grado di attraversarla. Il mio lavoro di tesi può essere suddiviso in due progetti. Nel primo progetto i gruppi funzionali esposti sulla superficie della HFn sono stati utilizzati per la coniugazione dell’anticorpo monoclonale cetuximab al fine di studiare il mantenimento della sua attività antitumorale in modelli tumorali 3D e di paragonarla a quella del cetuximab non coniugato. Come modelli tumorali 3D sono stati utilizzati sferoidi ottenuti da una linea cellulare di glioblastoma e da una di tumore al seno triplo negativo. Sulla base dei prom, Cancer is a leading cause of disease worldwide and glioblastoma and triple negative breast cancer represent two types of tumors with poor prognosis and a high risk of recurrence. The therapeutic options currently in use are still subject to failure, due to (1) the poor selectivity of drugs, which compromises dose escalation to more therapeutically active levels and (2) the development of resistance by different mechanisms that cells put in place to defend themselves from the action of drugs. In this scenario, nanoparticles can be developed as new therapeutic strategies or to overcome the limitations of the treatments currently in use. In my PhD project, I exploited the unique features of a nanoparticle-based on recombinant heavy-chain ferritin cages (HFn) to improve the therapeutic treatments already available for these tumors. HFn can be a promising candidate for this study because 1) it is biocompatible; 2) it can be loaded with drugs; 3) it can be easily modified by exploiting the functional groups on its surface; 4) it exhibits tumor targeting by recognition of TfR1, overexpressed in 98% of human cancers and directly correlated with tumor stage or cancer progression; 5) HFn is able to cross the blood-brain barrier (BBB) exploiting the same TfR1 receptor, also found overexpressed on the BBB endothelial wall. My work is divided into two main subprojects, all sharing the use of HFn. In the first subproject (chapter one), the functional groups present on the surface of HFn were exploited for the conjugation of the monoclonal antibody cetuximab, studying the maintenance of its anticancer activity against a 3D tumor model in comparison with unconjugated cetuximab. Cancer spheroids of glioblastoma and triple negative breast cancer were selected and produced for this study. Then we focused on the documented ability of cetuximab to promote an indirect anticancer effect (ADCC) through the activation of immune systems cells. ADCC activation was evaluated both in live imagi

La malattia celiaca è un’enteropatia multifattoriale a base autoimmune, che si sviluppa in soggetti portatori dei polimorfismi genetici HLA-DQ2/DQ8, che introducono il glutine con la dieta. Anche se per definizione questo background genetico è necessario, è anche diffuso nel 30% della popolazione generale, e le altre varianti geniche finora identificate sono responsabili solo per il 50% della predisposizione totale. Allo stesso tempo, l’incidenza della celiachia sta aumentando, suggerendo il coinvolgimento di altri fattori ambientali che potrebbero peggiorare la risposta immunitaria al glutine in soggetti predisposti. In questa tesi, sono stati affrontati due aspetti principali: l’influenza delle nanoparticelle alimentari come potenziali fattori ambientali aggiuntivi, che potrebbero aumentare la reazione immunitaria verso il glutine, e il coinvolgimento dell’epigenetica, in particolare dei long non-coding RNA (lncRNAs), nella regolazione di pathway immunitari nella celiachia. È stato osservato che le nanoparticelle alimentari metalliche (mNPs) possono aggregare con la gliadina digerita, inducendo la produzione di citochine in biopsie intestinali di pazienti celiaci a dieta priva di glutine, causando riarrangiamenti nelle giunzioni strette e un’aumentata permeabilità in un modello in vitro di barriera intestinale epiteliale. Inoltre, l’espressione di lncRNAs è disregolata in biopsie di pazienti celiaci alla diagnosi, suggerendo il loro coinvolgimento nella patogenesi della celiachia. Tra questi trascritti, NEAT1 aumenta in risposta alla gliadina ex vivo ed in vitro, processo mediato dall’induzione dell’asse IL15/STAT3. Infine, NEAT1 può regolare diversi target a valle, e i dati di RNAseq ottenuti in un modello cellulare di epitelio intestinale in cui è stato indotto un knockdown di NEAT1 indicano il suo coinvolgimento in pathways coinvolti anche nella patogenesi della celiachia. Questi studi mostrano come la patogenesi della celiachia può essere influenzata, Celiac Disease (CeD) is a multifactorial autoimmune enteropathy, which develops in subjects carrying the genetic polymorphisms HLA-DQ2/DQ8 who introduce gluten with their diet. Even if this genetic background is defined as necessary, it is diffused in about 30% of the population, and the other identified gene variants account only for 50% of the total predisposition. At the same time, CeD incidence is increasing, suggesting the involvement of other environmental factors that could worsen the immune response to gluten in predisposed subjects. In this thesis, two main features were tackled: the potential influence of food nanoparticles as additional environmental factors which could increase the immune reaction towards gluten, and the involvement of epigenetics, in particular of long non-coding RNAs (lncRNAs), in the regulation of CeD immune pathways. Metallic food nanoparticles (mNPs) could aggregate with digested gliadin, inducing cytokine production in intestinal biopsies of CeD patients on a gluten-free diet (GFD) and causing rearrangements in the tight junctions and an increased permeability in an in vitro model of intestinal epithelial barrier. On the other hand, lncRNAs were deregulated in biopsies of CeD patients at diagnosis, suggesting their involvement in CeD pathogenesis. Among these transcripts, NEAT1 increased upon gliadin exposure ex vivo and in vitro, process mediated by the induction of the IL-15/STAT3 axis. Finally, NEAT1 can regulate many downstream targets, and RNAseq data obtained in NEAT1-knockdown intestinal epithelial cell model pointed out its involvement in pathways also linked to CeD pathogenesis. These studies show how CeD pathogenesis could be affected by external factors, such as mNPs contained in food that induced an increased response to gluten, and propose lncRNAs, particularly NEAT1, as regulatory factors involved in CeD immunity and pathogenesis.

Manufatti in gomma trovano una gran varietà di impieghi tecnologicamente rilevanti. Le proprietà meccaniche della gomma di per sé non sono soddisfacenti per le applicazioni desiderate quindi i miglioramenti necessari sono comunemente ottenuti tramite vulcanizzazione e addizione di filler rinforzanti nella matrice elastomerica. Il filler rinforzante più comune è il nero fumo il cui uso è tuttavia associato a problemi per la salute e l’ambiente. Per questa ragione molti produttori di pneumatici stanno concentrando i propri sforzi per la sostituzione del nero fumo con alternative più sostenibili. Le loro ambizioni includono l’incremento di materiali rinnovabili e la simultanea riduzione di composti derivanti da carbonfossile nella formulazione di pneumatici, contemporaneamente preservando o migliorando le proprietà meccaniche. In questo contesto il presente progetto di ricerca si è concentrato sullo sviluppo di filler rinforzanti sostenibili per compositi elastomerici in alternativa alle tecnologie legate all’industria del petrolio, con una particolare attenzione alla lignina. Nonostante la sua disponibilità a livello industriale, la complessità strutturale della lignina ha impedito la sua conversione in prodotti ad alto valore aggiunto e la progettazione razionale di materiali funzionali. Questo materiale può essere considerato una valida alternativa al nerofumo nei compositi elastomerici per le sue proprietà chimico-fisiche, le proprietà meccaniche, l’attività antiossidante e la stabilità termica. La sua combinazione con una matrice elastomerica comporta la necessità di superare la scarsa compatibilità tra i due materiali associata alla polarità della lignina che dà luogo a forti interazioni con se stessa. È stato necessario modificare la lignina per migliorare il numero e la qualità delle sue interazioni con la gomma al fine di ottenere un rinforzo meccanico della stessa. Per assicurare il rinforzo desiderato si sono esplorate e due strategie., Rubber products are commonly employed in a wide variety of industries including tire manufacturing, packaging, engineering and construction. The mechanical performances of rubber itself are unsatisfactory for the desired applications so the necessary improvements are commonly obtained by vulcanization and addition of reinforcing fillers in the elastomeric matrix. The most popular reinforcing filler is carbon black whose use is however associated with health and environmental concerns. For this reason, many tire manufacturers are concentrating their efforts in replacing carbon black with more sustainable alternatives. Their ambitions include the increment of renewable materials and the simultaneous reduction of fossil-based compounds in tire formulations, while preserving pr improving mechanical performances. In this frame, the present research project dealt with the development of sustainable reinforcing fillers for rubber compounds in alternative to fossil-based technologies with a particular focus on lignin. Despite its availability at industrial scale, the structural complexity of lignin has hampered its conversion into value-added products and the rational design of functional materials. However, the concerns about toxicity and environmental concerns related to the use of fossil-based materials are eliciting investigations regarding the use of renewable resources, included lignin. This material could be considered as a valuable alternative to carbon black in rubber compounds due to its good physical chemical and mechanical properties, antioxidant activity and thermal stability. However, its combination with an elastomeric matrix requires overcoming the poor compatibility between the two materials related to the polarity of lignin which results into strong self-interactions. So, it was necessary to modify lignin in order to improve the number and quality of its interaction with rubber resulting in a reinforcing effect. To ensure the desired reinforcement, two str

DESTRI, SILVIA, ZAPPIA, STEFANIA, open, My PhD project is focused on the development of polymeric nanoparticle-based aqueous inks for optoelectronic and electronic applications. Specifically, the aim of my research is the fabrication of sustainable active layers of organic photovoltaic (OPV) devices processable in water. This goal is reached through water-processable nanoparticle (WPNP) aqueous suspensions, prepared from semiconducting polymers as electron-donor and acceptor materials. The aqueous inks are obtained through a modified miniemulsion method, which unlike the standard process does not imply the addition of any surfactant to ensure the colloidal stability. The adapted approach involves the use of amphiphilic rod-coil block copolymers (BCPs), characterized by a rigid block (a p‐type semiconducting polymer) covalently linked to a hydrophilic flexible segment able to interact with aqueous medium, stabilizing the aqueous/non-aqueous interfaces. The amphiphilic BCPs are able to self-assemble both neat and in blend with acceptor materials, leading to the formation of nanostructures consisting of domains with dimensions suitable for the charge percolation in the resulting active layer of the organic solar cell (OSC). Primarily, low-band-gap (LBG) polymers were considered as electron donor materials to match the solar radiation absorption. Firstly, the synthesis of four different poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b’]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT)-based amphiphilic BCPs, with a tailored segment of poly-4-vinylpiridine (P4VP) as coil, was presented. The BCPs were used in blend with the [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PC61BM) as acceptor material to prepare WPNP aqueous inks, which were deposited to obtain the active layers. The correlation between the internal morphology and composition of the WPNPs, and the dimensions of the donor/acceptor nanodomains with the efficiency of the resulting OSCs was deeply studied. In a second time, we explored ot, Il mio progetto di dottorato è focalizzato sullo sviluppo di inchiostri a base acquosa costituiti da nanoparticelle (NPs) polimeriche per applicazioni optoelettroniche ed elettroniche. In particolare, lo scopo della mia ricerca è la preparazione di strati attivi di dispositivi fotovoltaici organici (OPV) sostenibili. Questo obiettivo è raggiunto attraverso sospensioni acquose di NPs processabili in acqua, preparate a partire da miscele di polimeri semiconduttori donatori e accettori di elettroni. Gli inchiostri acquosi sono stati ottenuti attraverso il metodo della miniemulsione, modificato affinché non fosse necessaria l'aggiunta di surfattanti per garantire la stabilità colloidale. L'approccio sviluppato prevede l'utilizzo di copolimeri a blocchi (BCPs) anfifilici del tipo rod-coil, caratterizzati da un blocco rigido (un polimero semiconduttore di tipo p) legato covalentemente a un segmento flessibile idrofilo in grado di interagire con il mezzo acquoso, stabilizzando le interfacce acquose/non acquose. I BCPs anfifilici sono in grado di auto-assemblarsi sia puri che in miscela con materiali accettori, portando alla formazione di nanostrutture costituite da domini con dimensioni adatte alla percolazione della carica nello strato attivo della cella solare organica (OSC). In primo luogo, come materiali elettron-donatori sono stati considerati dei polimeri low band-gap (LBG). Nella parte iniziale della tesi è descritta la sintesi di quattro BCPs basati sul polimero poli[2,6-(4,4-bis-(2-etilesil)-4H-ciclopenta[2,1-b;3,4-b']ditiofene)-alt-4,7(2,1,3-benzotiazolo)] (PCPDTBT), con un segmento di poli-4-vinilpiridina (P4VP) come coil. I BCPs sono stati utilizzati in miscela con il derivato fullerenico PC61BM come materiale elettron-accettore per ottenere inchiostri acquosi, che sono stati poi depositati per fabbricare strati attivi. In seguito, sono stati condotti diversi esperimenti per trovare la correlazione tra la morfologia interna e la composizione delle NPs con l'eff, 0, open, Diterlizzi, M

VILLA, IRENE, open, Le nanoparticelle possiedono proprietà uniche che permettono il loro utilizzo in diversi settori, come la catalisi, l’opto-elettronica e la medicina. A livello nanometrico, il rapporto superficie-volume è alto, portando alla formazione di difetti che influenzano le proprietà del sistema, ad esempio le risposte catalitiche e ottiche. Inoltre, le elevate aree e reattività superficiali delle nanoparticelle consentono la loro funzionalizzazione con diversi leganti, incrementando la loro versatilità, soprattutto nell’ambito medico. L'accuratezza e l’efficacia di diagnosi e terapie può migliorare implementando le strategie tradizionali con nano-agenti. Tra i campi di ricerca in nanomedicina, nanoparticelle con alto numero atomico sono promettenti per innovare la radioterapia e per sviluppare nuove procedure oncologiche, come la terapia fotodinamica indotta dai raggi X, che sfrutta nanoscintillatori combinati a fotosensibilizzatori. In questo ambito, ZnO è di grande interesse. ZnO è un semiconduttore che mostra emissioni nello spettro del visibile, reattività superficiale e biocompatibilità. Inoltre, esposto ai raggi X, ZnO può generare specie citotossiche sia direttamente, grazie alla sua attività catalitica, sia indirettamente, attivando i vicini fotosensibilizzatori, grazie alla sua abilità di convertire i fotoni X in visibili. Questa tesi concerne lo studio di NPs di ZnO per l’innovazione di terapie oncologiche attivate dai raggi X. In dettaglio, un’analisi fondamentale delle proprietà ottiche e catalitiche di diversi campioni di ZnO è condotta e usata come base per progettare nanosistemi multicomponente a base di ZnO. In particolare, le proprietà ottiche di campioni di ZnO con diverse dimensioni (nanometriche, micrometriche e massive) e condizioni di crescita sono studiate con tecniche di fotoluminescenza e radioluminescenza con l’obiettivo di approfondire la comprensione del ruolo della morfologia sulla difettualità. L’analisi numerica di tutti gli spettri identifica, Nanoparticles disclose unique properties that enable their applications in different fields, such as energy, catalysis, opto-electronics, and medicine. At the nanosize, the surface-to-volume ratio is increased, leading to the formation of defects that influence the resultant features, e.g. the catalytic and optical behaviours of the systems. Moreover, the high surface area and reactivity of nanoparticles allow their functionalization with several ligands, enhancing their versatility, especially in the biomedical field. Indeed, the accuracy and efficiency of several diagnoses and treatments may improve by implementing traditional strategies with targeted nano-agents. Among the nanomedicine researches, heavy nanoparticles are promising for the innovation of radiotherapy and for the development of novel oncological procedure, such as X-Ray induced photodynamic therapy, that exploits the combination of nanoscintillators and photosensitizers. In this context, ZnO is of particular interest. Indeed, ZnO is a wide band gap semiconductor that displays emissions in the visible region of the spectrum, surface reactivity, and biocompatibility. Moreover, upon X-Ray exposure, ZnO can generate cytotoxic species both directly, due to its catalytic activity, and indirectly, by activating the close photosensitizers, due to its ability to down-convert X-Ray photons into visible ones. This thesis focuses on the study of ZnO NPs for the innovation of X-Ray based cancer therapies. In detail, a fundamental investigation of the optical and catalytic properties of several ZnO samples is performed and used as background to design and develop ZnO based multicomponent nanosystems. Namely, the optical features of ZnO samples with different sizes (nanometric, micrometric, and bulk) and growth conditions are investigated by photoluminescence and radioluminescence techniques aiming at deepening the comprehension of the impact of morphology on the material defectiveness. A Gaussian reconstruction o, 0, open, Crapanzano, R

Nanoparticles disclose unique properties that enable their applications in different fields, such as energy, catalysis, opto-electronics, and medicine. At the nanosize, the surface-to-volume ratio is increased, leading to the formation of defects that influence the resultant features, e.g. the catalytic and optical behaviours of the systems. Moreover, the high surface area and reactivity of nanoparticles allow their functionalization with several ligands, enhancing their versatility, especially in the biomedical field. Indeed, the accuracy and efficiency of several diagnoses and treatments may improve by implementing traditional strategies with targeted nano-agents. Among the nanomedicine researches, heavy nanoparticles are promising for the innovation of radiotherapy and for the development of novel oncological procedure, such as X-Ray induced photodynamic therapy, that exploits the combination of nanoscintillators and photosensitizers. In this context, ZnO is of particular interest. Indeed, ZnO is a wide band gap semiconductor that displays emissions in the visible region of the spectrum, surface reactivity, and biocompatibility. Moreover, upon X-Ray exposure, ZnO can generate cytotoxic species both directly, due to its catalytic activity, and indirectly, by activating the close photosensitizers, due to its ability to down-convert X-Ray photons into visible ones. This thesis focuses on the study of ZnO NPs for the innovation of X-Ray based cancer therapies. In detail, a fundamental investigation of the optical and catalytic properties of several ZnO samples is performed and used as background to design and develop ZnO based multicomponent nanosystems. Namely, the optical features of ZnO samples with different sizes (nanometric, micrometric, and bulk) and growth conditions are investigated by photoluminescence and radioluminescence techniques aiming at deepening the comprehension of the impact of morphology on the material defectiveness. A Gaussian reconstruction o, Le nanoparticelle possiedono proprietà uniche che permettono il loro utilizzo in diversi settori, come la catalisi, l’opto-elettronica e la medicina. A livello nanometrico, il rapporto superficie-volume è alto, portando alla formazione di difetti che influenzano le proprietà del sistema, ad esempio le risposte catalitiche e ottiche. Inoltre, le elevate aree e reattività superficiali delle nanoparticelle consentono la loro funzionalizzazione con diversi leganti, incrementando la loro versatilità, soprattutto nell’ambito medico. L'accuratezza e l’efficacia di diagnosi e terapie può migliorare implementando le strategie tradizionali con nano-agenti. Tra i campi di ricerca in nanomedicina, nanoparticelle con alto numero atomico sono promettenti per innovare la radioterapia e per sviluppare nuove procedure oncologiche, come la terapia fotodinamica indotta dai raggi X, che sfrutta nanoscintillatori combinati a fotosensibilizzatori. In questo ambito, ZnO è di grande interesse. ZnO è un semiconduttore che mostra emissioni nello spettro del visibile, reattività superficiale e biocompatibilità. Inoltre, esposto ai raggi X, ZnO può generare specie citotossiche sia direttamente, grazie alla sua attività catalitica, sia indirettamente, attivando i vicini fotosensibilizzatori, grazie alla sua abilità di convertire i fotoni X in visibili. Questa tesi concerne lo studio di NPs di ZnO per l’innovazione di terapie oncologiche attivate dai raggi X. In dettaglio, un’analisi fondamentale delle proprietà ottiche e catalitiche di diversi campioni di ZnO è condotta e usata come base per progettare nanosistemi multicomponente a base di ZnO. In particolare, le proprietà ottiche di campioni di ZnO con diverse dimensioni (nanometriche, micrometriche e massive) e condizioni di crescita sono studiate con tecniche di fotoluminescenza e radioluminescenza con l’obiettivo di approfondire la comprensione del ruolo della morfologia sulla difettualità. L’analisi numerica di tutti gli s

Il mio progetto di dottorato è focalizzato sullo sviluppo di inchiostri a base acquosa costituiti da nanoparticelle (NPs) polimeriche per applicazioni optoelettroniche ed elettroniche. In particolare, lo scopo della mia ricerca è la preparazione di strati attivi di dispositivi fotovoltaici organici (OPV) sostenibili. Questo obiettivo è raggiunto attraverso sospensioni acquose di NPs processabili in acqua, preparate a partire da miscele di polimeri semiconduttori donatori e accettori di elettroni. Gli inchiostri acquosi sono stati ottenuti attraverso il metodo della miniemulsione, modificato affinché non fosse necessaria l'aggiunta di surfattanti per garantire la stabilità colloidale. L'approccio sviluppato prevede l'utilizzo di copolimeri a blocchi (BCPs) anfifilici del tipo rod-coil, caratterizzati da un blocco rigido (un polimero semiconduttore di tipo p) legato covalentemente a un segmento flessibile idrofilo in grado di interagire con il mezzo acquoso, stabilizzando le interfacce acquose/non acquose. I BCPs anfifilici sono in grado di auto-assemblarsi sia puri che in miscela con materiali accettori, portando alla formazione di nanostrutture costituite da domini con dimensioni adatte alla percolazione della carica nello strato attivo della cella solare organica (OSC). In primo luogo, come materiali elettron-donatori sono stati considerati dei polimeri low band-gap (LBG). Nella parte iniziale della tesi è descritta la sintesi di quattro BCPs basati sul polimero poli[2,6-(4,4-bis-(2-etilesil)-4H-ciclopenta[2,1-b;3,4-b']ditiofene)-alt-4,7(2,1,3-benzotiazolo)] (PCPDTBT), con un segmento di poli-4-vinilpiridina (P4VP) come coil. I BCPs sono stati utilizzati in miscela con il derivato fullerenico PC61BM come materiale elettron-accettore per ottenere inchiostri acquosi, che sono stati poi depositati per fabbricare strati attivi. In seguito, sono stati condotti diversi esperimenti per trovare la correlazione tra la morfologia interna e la composizione delle NPs con, My PhD project is focused on the development of polymeric nanoparticle-based aqueous inks for optoelectronic and electronic applications. Specifically, the aim of my research is the fabrication of sustainable active layers of organic photovoltaic (OPV) devices processable in water. This goal is reached through water-processable nanoparticle (WPNP) aqueous suspensions, prepared from semiconducting polymers as electron-donor and acceptor materials. The aqueous inks are obtained through a modified miniemulsion method, which unlike the standard process does not imply the addition of any surfactant to ensure the colloidal stability. The adapted approach involves the use of amphiphilic rod-coil block copolymers (BCPs), characterized by a rigid block (a p‐type semiconducting polymer) covalently linked to a hydrophilic flexible segment able to interact with aqueous medium, stabilizing the aqueous/non-aqueous interfaces. The amphiphilic BCPs are able to self-assemble both neat and in blend with acceptor materials, leading to the formation of nanostructures consisting of domains with dimensions suitable for the charge percolation in the resulting active layer of the organic solar cell (OSC). Primarily, low-band-gap (LBG) polymers were considered as electron donor materials to match the solar radiation absorption. Firstly, the synthesis of four different poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b’]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT)-based amphiphilic BCPs, with a tailored segment of poly-4-vinylpiridine (P4VP) as coil, was presented. The BCPs were used in blend with the [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PC61BM) as acceptor material to prepare WPNP aqueous inks, which were deposited to obtain the active layers. The correlation between the internal morphology and composition of the WPNPs, and the dimensions of the donor/acceptor nanodomains with the efficiency of the resulting OSCs was deeply studied. In a second time, we explored ot

La stimolazione termica è una tecnica esplorata negli ultimi anni in quanto promettente per il differenziamento cellulare. Studi precedenti hanno dimostrato che questo metodo può indurre il differenziamento di diverse tipologie cellulari, dalle staminali alle tumorali, probabilmente attraverso cambiamenti della capacità della membrana e delle proprietà biofisiche dei canali ionici. Tuttavia, i meccanismi che sostengono questo processo restano a oggi sconosciuti. Il presente progetto ha l’obiettivo di studiare gli effetti della stimolazione termica sul comportamento di un modello in vitro di neuroni dei gangli delle radici dorsali (DRG), la linea cellulare F-11, caratterizzata nel nostro laboratorio. Queste cellule possono esprimere canali ionici e recettori di membrana, caratteristici dei neuroni sensoriali, e possono essere impiegate come modello per studiare i meccanismi coinvolti nella proliferazione e nel differenziamento neuronale. Inizialmente, per valutare gli effetti della tecnica di riscaldamento sul modello cellulare scelto, abbiamo effettuato esperimenti di stimolazione “in bulk” utilizzando un incubatore. Le cellule sono state poste nell’incubatore ed esposte a temperature diverse per intervalli di tempo differenti, per due giorni consecutivi. Analisi morfologiche e funzionali sono state condotte a partire dalla semina fino a 8 giorni. I risultati hanno mostrato una differenza significativa nella lunghezza dei neuriti e nelle proprietà elettrofisiologiche (potenziale di membrana, densità di corrente di Na+ e K+, e frequenza della scarica dei potenziali d’azione) nei campioni mantenuti a 41,5°C per 30 minuti rispetto al controllo (mantenuto a 37°C). È stata inoltre condotta un’analisi dei segnali intracellulari di Ca2+ indotti da capsaicina, per verificare l’eventuale coinvolgimento dei canali TRPV (Transient Receptor Potential Vanilloid) negli effetti indotti dal calore. I risultati hanno mostrato segnali intracellulari di Ca2+ maggiori nelle cell, Heating represents a promising approach to induce neurite outgrowth and neuronal function recovery. In previous studies, protocols with different temperatures (from 38°C to 50°C) and durations (from milliseconds to several days) could induced differentiation of different cell types like Xenopus laevis oocytes, cultured mammalian cells, neurons, stem cells and cancer cells. This effect has been attributed to changes in cell membrane capacitance and in ion channel properties, but the underlying mechanism remains so far unknown. The present project was aimed to investigate the eventual modifications, induced by two approaches of thermal stimulation, on the behaviour of a model of dorsal root ganglion (DRG) neurons, the F-11 cell line, previously characterized in our laboratory. These cells could express ion channels and cell membrane receptors consistent with those of sensory neurons and could be employed as a good model to study neuronal proliferation and differentiation mechanisms. Initially, to test if heating could effectively induce differentiation of our cellular model, we performed experiments of bulk stimulation: cells were placed in an incubator at different time and temperature combinations for two consecutive days. Thus, morphological and functional analysis were performed to investigate neuronal differentiation until 8 days. Results showed a significant difference in neurite elongation and in electrophysiological properties (resting membrane potential, Na+ and K+ current density and action potential frequency) in samples maintained at 41,5°C for 30 minutes versus 37°C samples. An intracellular Ca2+ signal analysis evoked by Capsaicin was performed to verify the involvement of TRPV (Transient Receptor Potential Vanilloid) channels in the effects of heating. Results showed that the Ca2+ signal was higher in heated cells compared to the control, suggesting that the treatment could increase the expression and/or the properties of TRPV1 channels, which are perme

COLLINI, MADDALENA, open, Metallic nanoparticles, due to their fascinating optical and electrochemical properties, attract the attention of different science and engineering research disciplines. Among these properties, the plasmonic photothermal effect is a notable and exclusive feature of noble-metal nanoparticles that, by today, are exploited through lots of research activities for various purposes, especially for biomedical applications. This optically-tunable phenomenon uniquely increases the flexibility of the optical response of host matrices, by allowing to induce highly localized temperature increases that can be triggered via simple external stimulation device like a light source. Such matrices can be valuable tools in the field of cell treatments and, in general, tissue engineering. In the present study, the two-photon-assisted direct laser writing (DLW) technique was employed to fabricate microarchitectures with the different elastic modulus (80kPa to 800kPa) from a proteinaceous ink composed of bovine serum albumin (BSA), rose Bengal (RB), or methylene blue (MB), and non-spherical symmetric gold nanoparticles (GNPs), with the ability to generate local temperature increase by stimulation in the near-infrared spectral region. The recorded photothermal efficiency measured using focused continuous wave (CW) laser irradiation at 800nm on microstructures loaded with GNPs at low gold atom concentration (1%w/w) reached 12.2 pm 0.4 C/W, that is a record photothermal effect induced from a printed proteinaceous feature. This photo-thermal functionality arising from the GNPs embedded within the fabricated proteinaceous microstructures can then be applied for studying responses of living systems like cells and bacteria cultures under an externally triggered highly localized heat release., Le nanoparticelle metalliche, grazie alle loro affascinanti proprietà ottiche ed elettrochimiche, attirano l'attenzione di diverse discipline scientifiche e di ricerca ingegneristica. Tra queste proprietà, l'effetto fototermico indotto dalle risonanze plasmoniche, è una caratteristica notevole ed esclusiva delle nanoparticelle di metalli nobili che, ad oggi, vengono già sfruttate per vari scopi, sia per ricerca che, soprattutto, per applicazioni biomediche. Il fenomeno della risonanza plasmonica superficiale, caratterizzato da bande ben definite, fornisce a queste nanoparticelle una notevole la flessibilità nella risposta ottica che si può vantaggiosamente trasferire a matrici polimeriche in cui queste vengano disperse. In particolare, la possibilità di indurre un aumento di temperatura altamente localizzato che può essere attivato tramite un dispositivo di stimolazione esterno come una sorgente di luce, renderebbe tali matrici strumenti preziosi nel campo dei trattamenti cellulari e, in generale, dell'ingegneria dei tessuti In questa tesi, la tecnica di scrittura (photo-cross-link) laser diretta (DLW), attivata da assorbimento a due fotoni, è stata impiegata per fabbricare micro-architetture con il diverso modulo elastico (da 80kPa a 800kPa) a partire da un inchiostro proteico composto da albumina di siero bovino (BSA), un foto-iniziatore (Rose Bengale o blu di metilene) e nanoparticelle d'oro a simmetria non sferica (GNP). Mostriamo qui che la presenza di queste ultime, se opportunamente schermate dall’interazione con il foto-iniziatore, fornisce alle microstrutture foto-polimerizzate la capacità di generare un aumento della temperatura locale mediante stimolazione nella regione spettrale del vicino infrarosso. L'efficienza fototermica misurata sotto l’effetto di radiazione laser focalizzata a 800 nm (in continua) su microstrutture caricate con una bassa concentrazione di atomi d'oro (1% w/w) ha raggiunto 12.2 pm 0.4 C/W, che costituisce un record di effetto fotot, 0, open, Zeynali, A

open, This thesis is part of PerFORM WATER 2030 (Platform for Integrated Operation Research and Management of Public Water towards 2030), a project financed by the Lombardy region and the European Regional Development Fund. The objective is to produce laboratory-scale zero valent iron nanoparticles encapsulated in a carbonaceous matrix (ME-nFe), a material with reducing properties and high adsorption capacity that can be used in wastewater treatment. The synthesis of the nanoparticles is achieved through hydrothermal carbonization (HTC) starting from microalgal biomass grown in the pilot plant located at the Bresso-Niguarda (MI) treatment plant. Specifically, the first phases of work focused on collecting biomass directly from the plant and on its characterization in terms of elemental composition and polyphenol content. Subsequently, the conditions that could influence the synthesis of ME-nFe were studied: two types of salt were tested as an iron source (ammonium iron sulphate and iron nitrate), four Fe/C ratios to be put in the reactor (0.02, 0.05, 0.1, 0.2) and three different temperatures of the synthesis process (180°C, 200°C and 225°C). The characterization of the produced nanoparticles in terms of zero-valent and total iron content, specific surface area and nanoscale morphological structure, allowed the selection of the prototypes with the best properties. Once the best operating conditions were identified, the ME-nFe were tested in the removal of five heavy metals (Zn, Cu, Ni, Cd, Cr), first under ideal conditions and then in more realistic ones. At the end of the treatment, the possibility of recovering the CE-nZVI and reusing it them for multiple removal cycles was also assessed. The best results were achieve using a sorbent concentration of 3 gL-1 on a starting solution of the five heavy metals with a starting concentration of 1 mg L-1. The removal for Zn, Cu, Ni e Cd were higher than 96%. However, Cr was never affected during the tests. Hereafter, the toxicit, Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto PerFORM WATER 2030 (Platform for Integrated Operation Research and Management of Public Water towards 2030), un progetto finanziato da regione Lombardia e dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale. L’elaborato ha l’obiettivo di produrre a scala di laboratorio delle nanoparticelle di ferro zero valente incapsulate in una matrice carboniosa (ME-nFe), un materiale con proprietà riducente ed elevato potere adsorbente da applicare nella depurazione delle acque. La sintesi delle nanoparticelle è avvenuta attraverso la carbonizzazione idrotermica (HTC) a partire da biomassa microalgale coltivata nell’impianto pilota situato presso il depuratore di Bresso-Niguarda (MI). Nello specifico, le prime fasi di lavoro si sono focalizzate sulla raccolta della biomassa direttamente in impianto e sulla sua caratterizzazione in termini di composizione elementare e contenuto di polifenoli. Successivamente si è passati allo studio delle condizioni che potessero influenzare la sintesi di CE-nZVI. Sono stati testati due tipi di sale da utilizzare quale fonte di ferro (solfato di ferro ammonico e nitrato di ferro), 4 rapporti Fe/C da inserire nel reattore (0.02, 0.05, 0.1, 0.2) e 3 temperature del processo di sintesi (180°C, 200°C e 225°C). Attraverso la caratterizzazione delle nanoparticelle ottenute in termini di contenuto di ferro zero-valente e ferro totale, di area superficiale specifica e di struttura morfologica a livello nanometrico, sono stati selezionati i prototipi dalle caratteristiche migliori. Le ME-nFE sono state testate nella rimozione di cinque metalli pesanti (Zn, Cu, Ni, Cd, Cr), prima in condizioni ideali e poi in condizioni più aderenti alla realtà. I migliori risultati sono stati ottenuti con una concentrazione di 3 gL-1 di adsorbente a partire da una concentrazione iniziale di ciascun metallo pari a 1 mgL-1. In queste condizioni si sono ottenute rimozioni per Zn, Cu, Ni e Cd superiori al 96%. Il Cr non è m, No, open, Mantovani, M

Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto PerFORM WATER 2030 (Platform for Integrated Operation Research and Management of Public Water towards 2030), un progetto finanziato da regione Lombardia e dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale. L’elaborato ha l’obiettivo di produrre a scala di laboratorio delle nanoparticelle di ferro zero valente incapsulate in una matrice carboniosa (ME-nFe), un materiale con proprietà riducente ed elevato potere adsorbente da applicare nella depurazione delle acque. La sintesi delle nanoparticelle è avvenuta attraverso la carbonizzazione idrotermica (HTC) a partire da biomassa microalgale coltivata nell’impianto pilota situato presso il depuratore di Bresso-Niguarda (MI). Nello specifico, le prime fasi di lavoro si sono focalizzate sulla raccolta della biomassa direttamente in impianto e sulla sua caratterizzazione in termini di composizione elementare e contenuto di polifenoli. Successivamente si è passati allo studio delle condizioni che potessero influenzare la sintesi di CE-nZVI. Sono stati testati due tipi di sale da utilizzare quale fonte di ferro (solfato di ferro ammonico e nitrato di ferro), 4 rapporti Fe/C da inserire nel reattore (0.02, 0.05, 0.1, 0.2) e 3 temperature del processo di sintesi (180°C, 200°C e 225°C). Attraverso la caratterizzazione delle nanoparticelle ottenute in termini di contenuto di ferro zero-valente e ferro totale, di area superficiale specifica e di struttura morfologica a livello nanometrico, sono stati selezionati i prototipi dalle caratteristiche migliori. Le ME-nFE sono state testate nella rimozione di cinque metalli pesanti (Zn, Cu, Ni, Cd, Cr), prima in condizioni ideali e poi in condizioni più aderenti alla realtà. I migliori risultati sono stati ottenuti con una concentrazione di 3 gL-1 di adsorbente a partire da una concentrazione iniziale di ciascun metallo pari a 1 mgL-1. In queste condizioni si sono ottenute rimozioni per Zn, Cu, Ni e Cd superiori al 96%. Il Cr no, This thesis is part of PerFORM WATER 2030 (Platform for Integrated Operation Research and Management of Public Water towards 2030), a project financed by the Lombardy region and the European Regional Development Fund. The objective is to produce laboratory-scale zero valent iron nanoparticles encapsulated in a carbonaceous matrix (ME-nFe), a material with reducing properties and high adsorption capacity that can be used in wastewater treatment. The synthesis of the nanoparticles is achieved through hydrothermal carbonization (HTC) starting from microalgal biomass grown in the pilot plant located at the Bresso-Niguarda (MI) treatment plant. Specifically, the first phases of work focused on collecting biomass directly from the plant and on its characterization in terms of elemental composition and polyphenol content. Subsequently, the conditions that could influence the synthesis of ME-nFe were studied: two types of salt were tested as an iron source (ammonium iron sulphate and iron nitrate), four Fe/C ratios to be put in the reactor (0.02, 0.05, 0.1, 0.2) and three different temperatures of the synthesis process (180°C, 200°C and 225°C). The characterization of the produced nanoparticles in terms of zero-valent and total iron content, specific surface area and nanoscale morphological structure, allowed the selection of the prototypes with the best properties. Once the best operating conditions were identified, the ME-nFe were tested in the removal of five heavy metals (Zn, Cu, Ni, Cd, Cr), first under ideal conditions and then in more realistic ones. At the end of the treatment, the possibility of recovering the CE-nZVI and reusing it them for multiple removal cycles was also assessed. The best results were achieve using a sorbent concentration of 3 gL-1 on a starting solution of the five heavy metals with a starting concentration of 1 mg L-1. The removal for Zn, Cu, Ni e Cd were higher than 96%. However, Cr was never affected during the tests. Hereafter, the toxicit

Le nanoparticelle metalliche, grazie alle loro affascinanti proprietà ottiche ed elettrochimiche, attirano l'attenzione di diverse discipline scientifiche e di ricerca ingegneristica. Tra queste proprietà, l'effetto fototermico indotto dalle risonanze plasmoniche, è una caratteristica notevole ed esclusiva delle nanoparticelle di metalli nobili che, ad oggi, vengono già sfruttate per vari scopi, sia per ricerca che, soprattutto, per applicazioni biomediche. Il fenomeno della risonanza plasmonica superficiale, caratterizzato da bande ben definite, fornisce a queste nanoparticelle una notevole la flessibilità nella risposta ottica che si può vantaggiosamente trasferire a matrici polimeriche in cui queste vengano disperse. In particolare, la possibilità di indurre un aumento di temperatura altamente localizzato che può essere attivato tramite un dispositivo di stimolazione esterno come una sorgente di luce, renderebbe tali matrici strumenti preziosi nel campo dei trattamenti cellulari e, in generale, dell'ingegneria dei tessuti In questa tesi, la tecnica di scrittura (photo-cross-link) laser diretta (DLW), attivata da assorbimento a due fotoni, è stata impiegata per fabbricare micro-architetture con il diverso modulo elastico (da 80kPa a 800kPa) a partire da un inchiostro proteico composto da albumina di siero bovino (BSA), un foto-iniziatore (Rose Bengale o blu di metilene) e nanoparticelle d'oro a simmetria non sferica (GNP). Mostriamo qui che la presenza di queste ultime, se opportunamente schermate dall’interazione con il foto-iniziatore, fornisce alle microstrutture foto-polimerizzate la capacità di generare un aumento della temperatura locale mediante stimolazione nella regione spettrale del vicino infrarosso. L'efficienza fototermica misurata sotto l’effetto di radiazione laser focalizzata a 800 nm (in continua) su microstrutture caricate con una bassa concentrazione di atomi d'oro (1% w/w) ha raggiunto 12.2 pm 0.4 C/W, che costituisce un record di eff, Metallic nanoparticles, due to their fascinating optical and electrochemical properties, attract the attention of different science and engineering research disciplines. Among these properties, the plasmonic photothermal effect is a notable and exclusive feature of noble-metal nanoparticles that, by today, are exploited through lots of research activities for various purposes, especially for biomedical applications. This optically-tunable phenomenon uniquely increases the flexibility of the optical response of host matrices, by allowing to induce highly localized temperature increases that can be triggered via simple external stimulation device like a light source. Such matrices can be valuable tools in the field of cell treatments and, in general, tissue engineering. In the present study, the two-photon-assisted direct laser writing (DLW) technique was employed to fabricate microarchitectures with the different elastic modulus (80kPa to 800kPa) from a proteinaceous ink composed of bovine serum albumin (BSA), rose Bengal (RB), or methylene blue (MB), and non-spherical symmetric gold nanoparticles (GNPs), with the ability to generate local temperature increase by stimulation in the near-infrared spectral region. The recorded photothermal efficiency measured using focused continuous wave (CW) laser irradiation at 800nm on microstructures loaded with GNPs at low gold atom concentration (1%w/w) reached 12.2 pm 0.4 C/W, that is a record photothermal effect induced from a printed proteinaceous feature. This photo-thermal functionality arising from the GNPs embedded within the fabricated proteinaceous microstructures can then be applied for studying responses of living systems like cells and bacteria cultures under an externally triggered highly localized heat release.

open, Composite materials have attracted the attention of the scientific community due to their outstanding properties and promising applications. Materials interfaces play a crucial role in many of these applications. In the present work of thesis, different types of oxide/C-based layer interfaces have been considered for a quantum chemical investigation. The titanium dioxide surface has been interfaced with both inorganic bidimensional (graphene) and densely packed organic (enediols and silanes) C-based monolayers. The work aims at revealing the peculiar phenomena that occur at the interface, due to the complementary properties of the two components, that might be relevant for catalysis and bio-functionalization. The theoretical investigation is based on two levels of theory: self-consistent charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) and density functional theory (DFT) The approximate SCC-DFTB method allows to investigate the dynamical and structural properties of the complex systems, while the most accurate DFT calculations enable to refine the models and study their electronic properties. The first part of the work is devoted to the modelling of the interface between TiO2 anatase (101) surface and graphene with defects, since they are often observed in real samples. Furthermore, we have considered the presence of water molecules and their reactivity at the interface to propose possible reaction paths and to investigate the undercover effects due to the reaction confinement. The second part of the work presents the study on a model of spherical TiO2 nanoparticle decorated with a densely packed monolayer of two organic molecules: the enediol DOPAC and the organosilane TETT, that are excellent linkers. DOPAC is a catechol derivative bearing an extra carboxylic group. An extensive set of adsorption modes on the TiO2 curved surface have been investigated. Molecular dynamics (MD) simulations have also been performed to elucidate the affinity of the carboxylic groups, I materiali compositi hanno suscitato un notevole interesse nella comunità scientifica grazie alle loro eccezionali proprietà e alle loro promettenti applicazioni. Infatti, i materiali interfacciati hanno un ruolo cruciale in innumerevoli applicazioni. Nel presente lavoro di tesi, diversi tipi di interfacce ossido/strato di carbonio sono state considerate per svolgere un’indagine chimica quantistica. La superficie del biossido di titanio è stata interfacciata con monostrati a base di carbonio, che può essere sia bidimensionale ed inorganico (grafene), sia uno strato denso di molecole organiche (enedioli e silani). Il lavoro mira a rivelare i fenomeni peculiari che si verificano all’interfaccia, dovuti delle proprietà complementari delle due componenti, che potrebbero essere interessanti per la catalisi e la bio-funzionalizzazione. L’indagine teorica si basa su due livelli di teoria: self-consistent charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) e la teoria del funzionale della densità (DFT). Il metodo SCCF-DFTB approssimativo consente di studiare le proprietà dinamiche e strutturali di questi sistemi complessi, mente i calcoli DFT più accurati permettono di raffinare i modelli e studiare le loro proprietà elettroniche. La prima parte del lavoro è stata dedicata alla modellizzazione dell’interfaccia tra TiO2 in fase anatasio e il grafene, in presenza di difetti. Oltre a ciò, si è considerata la reattività di molecole d’acqua all’interfaccia per proporre possibili percorsi di reazioni e studiare gli effetti del ricoprimento dovuti al confinamento della reattività. La seconda parte del lavoro presenta lo studio del modello di nanoparticella sferica di TiO2 decorata con un monostrato denso di molecole organiche: l’enediolo DOPAC e l’organosilano TETT, che sono eccellenti linker. Il DOPAC è un derivato catecolico che presenta un gruppo carbossilico aggiuntivo. È stata studiata un’ampia gamma di modalità di adsorbimento sulla superficie curva di TiO2. Inoltre, sono st, No, open, Datteo, M

open, Glioblastoma multiforme (GBM) is a rare tumor and one of the most challenging malignancies to treat in all of oncology field. GBM is an aggressive solid tumor that mainly affects white matter and the corpus callosum. Typically, the cellular morphology is predominantly astrocytic, but in some cases, a subset of tumor cells may have oligodendroglial or primitive neuroectodermal tumor features.For a majority of patients with GBM, there is no known cause of the disease and no early detection of GBM is available.Despite advances in cancer therapies, nanomedicine approaches included, the treatment of GBM remains inefficient. These failures are likely attributable to the complex, and not yet completely know, biology of this tumour, which is responsible for its strong invasiveness, high degree of metastasis, high proliferation potential and resistance to radiation and chemotherapy, and to the presence of the blood-brain barrier (BBB) that limit the drugs entrance into the brain. Moreover, the intimate connection through which the cells communicate between them plays an important role in these biological processes. In this scenario, tunneling nanotubes (TnTs) are recently gaining importance as a key features in tumor progression and in particular in the re-growth of GBM after surgery.GBM Stem-like Cells (GSCs) represent a subpopulation of cells characterized by increased resistance to chemo- and radiotherapy (RT).Due to their intrinsic tumor-initiating potential and invasiveness, residual resistant GSCs lead to GBM recurrence and progression and represent a crucial target for effective therapies. However targeting GSCs is hardly difficult and complex, due to the presence of the BBB and for GSCs infiltrative nature arousing their dispersion within the brain parenchyma. In this context, we proposed doxorubicin-loaded multifunctionalized liposomes (LIPs) to enable BBB crossing, selective GSCs targeting and anti-tumor immune response activation.LIPs were dually functionalized wi, Il glioblastoma multiforme (GBM) è un tumore raro del sistema nervoso centrale (SNC), che colpisce principalmente la sostanza bianca e il corpo calloso. Per la maggior parte dei pazienti con GBM, non esiste una causa nota della malattia e non è disponibile alcuna diagnosi precoce. Nonostante i progressi nelle terapie contro il cancro, inclusi gli approcci di nanomedicina, il trattamento del GBM rimane inefficace. Questi fallimenti sono probabilmente attribuibili alla complessa, e non ancora completamente nota, biologia di questo tumore, che è responsabile della sua forte invasività, dell’alto grado di metastasi, dell’alto potenziale di proliferazione e della resistenza alle radiazioni e alla chemioterapia, e alla presenza di della barriera emato-encefalica (BEE) che limita l'ingresso di farmaci nel cervello. Inoltre, l'intima connessione attraverso la quale le cellule comunicano tra loro svolge un ruolo importante in questi processi biologici. In questo scenario, i nanotubi (TnT) stanno recentemente ricevendo attenzione per il loro potenziale ruolo nella progressione del tumore e della sua riformazione dopo l'intervento chirurgico. Le cellule staminali di GBM (GSC) rappresentano una sottopopolazione di cellule caratterizzata da una maggiore resistenza alla chemioterapia e alla radioterapia (RT). A causa del loro potenziale intrinseco di innesco del tumore e dell'invasività, le GSC determinano la ricorrenza del GBM e rappresentano un obiettivo cruciale per lo sviluppo di una terapia efficace. In questo contesto, sono stati sviluppati liposomi(LIP) multifunzionali e caricati con il farmaco antitumorale doxorubicina, per consentire l'attraversamento BEE ed il targeting selettivo delle GSC. I LIP sono stati funzionalizzati con il mApoE, un frammento modificato dell'apolipoproteina umana E, che lega il recettore LDL (sovraespresso su cellule BEE e GBM) e la clorotossina (ClTx) per migliorare rispettivamente l'attraversamento del BBB e il targeting tumorale. I nostri risu, No, open, Formicola, B

I materiali compositi hanno suscitato un notevole interesse nella comunità scientifica grazie alle loro eccezionali proprietà e alle loro promettenti applicazioni. Infatti, i materiali interfacciati hanno un ruolo cruciale in innumerevoli applicazioni. Nel presente lavoro di tesi, diversi tipi di interfacce ossido/strato di carbonio sono state considerate per svolgere un’indagine chimica quantistica. La superficie del biossido di titanio è stata interfacciata con monostrati a base di carbonio, che può essere sia bidimensionale ed inorganico (grafene), sia uno strato denso di molecole organiche (enedioli e silani). Il lavoro mira a rivelare i fenomeni peculiari che si verificano all’interfaccia, dovuti delle proprietà complementari delle due componenti, che potrebbero essere interessanti per la catalisi e la bio-funzionalizzazione. L’indagine teorica si basa su due livelli di teoria: self-consistent charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) e la teoria del funzionale della densità (DFT). Il metodo SCCF-DFTB approssimativo consente di studiare le proprietà dinamiche e strutturali di questi sistemi complessi, mente i calcoli DFT più accurati permettono di raffinare i modelli e studiare le loro proprietà elettroniche. La prima parte del lavoro è stata dedicata alla modellizzazione dell’interfaccia tra TiO2 in fase anatasio e il grafene, in presenza di difetti. Oltre a ciò, si è considerata la reattività di molecole d’acqua all’interfaccia per proporre possibili percorsi di reazioni e studiare gli effetti del ricoprimento dovuti al confinamento della reattività. La seconda parte del lavoro presenta lo studio del modello di nanoparticella sferica di TiO2 decorata con un monostrato denso di molecole organiche: l’enediolo DOPAC e l’organosilano TETT, che sono eccellenti linker. Il DOPAC è un derivato catecolico che presenta un gruppo carbossilico aggiuntivo. È stata studiata un’ampia gamma di modalità di adsorbimento sulla superficie curva di TiO2., Composite materials have attracted the attention of the scientific community due to their outstanding properties and promising applications. Materials interfaces play a crucial role in many of these applications. In the present work of thesis, different types of oxide/C-based layer interfaces have been considered for a quantum chemical investigation. The titanium dioxide surface has been interfaced with both inorganic bidimensional (graphene) and densely packed organic (enediols and silanes) C-based monolayers. The work aims at revealing the peculiar phenomena that occur at the interface, due to the complementary properties of the two components, that might be relevant for catalysis and bio-functionalization. The theoretical investigation is based on two levels of theory: self-consistent charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) and density functional theory (DFT) The approximate SCC-DFTB method allows to investigate the dynamical and structural properties of the complex systems, while the most accurate DFT calculations enable to refine the models and study their electronic properties. The first part of the work is devoted to the modelling of the interface between TiO2 anatase (101) surface and graphene with defects, since they are often observed in real samples. Furthermore, we have considered the presence of water molecules and their reactivity at the interface to propose possible reaction paths and to investigate the undercover effects due to the reaction confinement. The second part of the work presents the study on a model of spherical TiO2 nanoparticle decorated with a densely packed monolayer of two organic molecules: the enediol DOPAC and the organosilane TETT, that are excellent linkers. DOPAC is a catechol derivative bearing an extra carboxylic group. An extensive set of adsorption modes on the TiO2 curved surface have been investigated. Molecular dynamics (MD) simulations have also been performed to elucidate the affinity of the carboxylic groups

Il glioblastoma multiforme (GBM) è un tumore raro del sistema nervoso centrale (SNC), che colpisce principalmente la sostanza bianca e il corpo calloso. Per la maggior parte dei pazienti con GBM, non esiste una causa nota della malattia e non è disponibile alcuna diagnosi precoce. Nonostante i progressi nelle terapie contro il cancro, inclusi gli approcci di nanomedicina, il trattamento del GBM rimane inefficace. Questi fallimenti sono probabilmente attribuibili alla complessa, e non ancora completamente nota, biologia di questo tumore, che è responsabile della sua forte invasività, dell’alto grado di metastasi, dell’alto potenziale di proliferazione e della resistenza alle radiazioni e alla chemioterapia, e alla presenza di della barriera emato-encefalica (BEE) che limita l'ingresso di farmaci nel cervello. Inoltre, l'intima connessione attraverso la quale le cellule comunicano tra loro svolge un ruolo importante in questi processi biologici. In questo scenario, i nanotubi (TnT) stanno recentemente ricevendo attenzione per il loro potenziale ruolo nella progressione del tumore e della sua riformazione dopo l'intervento chirurgico. Le cellule staminali di GBM (GSC) rappresentano una sottopopolazione di cellule caratterizzata da una maggiore resistenza alla chemioterapia e alla radioterapia (RT). A causa del loro potenziale intrinseco di innesco del tumore e dell'invasività, le GSC determinano la ricorrenza del GBM e rappresentano un obiettivo cruciale per lo sviluppo di una terapia efficace. In questo contesto, sono stati sviluppati liposomi(LIP) multifunzionali e caricati con il farmaco antitumorale doxorubicina, per consentire l'attraversamento BEE ed il targeting selettivo delle GSC. I LIP sono stati funzionalizzati con il mApoE, un frammento modificato dell'apolipoproteina umana E, che lega il recettore LDL (sovraespresso su cellule BEE e GBM) e la clorotossina (ClTx) per migliorare rispettivamente l'attraversamento del BBB e il targeting tumorale. I nostri, Glioblastoma multiforme (GBM) is a rare tumor and one of the most challenging malignancies to treat in all of oncology field. GBM is an aggressive solid tumor that mainly affects white matter and the corpus callosum. Typically, the cellular morphology is predominantly astrocytic, but in some cases, a subset of tumor cells may have oligodendroglial or primitive neuroectodermal tumor features.For a majority of patients with GBM, there is no known cause of the disease and no early detection of GBM is available.Despite advances in cancer therapies, nanomedicine approaches included, the treatment of GBM remains inefficient. These failures are likely attributable to the complex, and not yet completely know, biology of this tumour, which is responsible for its strong invasiveness, high degree of metastasis, high proliferation potential and resistance to radiation and chemotherapy, and to the presence of the blood-brain barrier (BBB) that limit the drugs entrance into the brain. Moreover, the intimate connection through which the cells communicate between them plays an important role in these biological processes. In this scenario, tunneling nanotubes (TnTs) are recently gaining importance as a key features in tumor progression and in particular in the re-growth of GBM after surgery.GBM Stem-like Cells (GSCs) represent a subpopulation of cells characterized by increased resistance to chemo- and radiotherapy (RT).Due to their intrinsic tumor-initiating potential and invasiveness, residual resistant GSCs lead to GBM recurrence and progression and represent a crucial target for effective therapies. However targeting GSCs is hardly difficult and complex, due to the presence of the BBB and for GSCs infiltrative nature arousing their dispersion within the brain parenchyma. In this context, we proposed doxorubicin-loaded multifunctionalized liposomes (LIPs) to enable BBB crossing, selective GSCs targeting and anti-tumor immune response activation.LIPs were dually functionalized wi

SALMONA, MARIO, RE, FRANCESCA, open, Nanoparticles (NPs) are studied as a promising tool to efficiently deliver drugs across biological barriers, which can hinder effective pharmacological treatment for a variety of diseases. One of the key issues to evaluate is the corona, a layer of proteins attached to the surface, formed upon contact of NPs with biological fluids. It is well known that the corona affects bioavailability, toxicity and clearance of NPs. Though the corona is relatively well defined under various conditions, its evolution when it crosses biological barriers was unknown. In my research I utilized gold NPs and a transwell cellular model of the BBB (human brain endothelial cells - hCMEC/D3) to investigate this issue. The protein composition of the corona across the “brain” and “blood” compartments was qualitatively and semi-quantitatively analyzed using SDS-PAGE and MS. The protein corona changed dramatically following passage through the BBB, since many proteins were removed, and 15 out of 381 were enriched in the “brain” side compared to the “blood” side, including alpha-2-macroglobulin and fetuin A. This clearly indicates the dynamic nature of the corona, and the ability or inability of specific proteins bound to NPs to traverse the BBB. The research also established that NP corona in the basolateral side is actually an evolution of the one formed on the apical side ruling out that it is formed in situ by interaction with proteins arriving independently from the apical side. Once beyond the barrier, the corona was stable upon incubation with other proteins Proteins that were enriched upon passage were used to functionalize NPs, demonstrating their ability to boost passage through the BBB and suggesting that physiological proteins could help to more effectively deliver drugs to the central nervous system. Altogether, these results are particularly relevant when developing NPs that are required to traverse any biological barrier and may lead to the more successful design of therapeutic a, Nanoparticles (NPs) are studied as a promising tool to efficiently deliver drugs across biological barriers, which can hinder effective pharmacological treatment for a variety of diseases. One of the key issues to evaluate is the corona, a layer of proteins attached to the surface, formed upon contact of NPs with biological fluids. It is well known that the corona affects bioavailability, toxicity and clearance of NPs. Though the corona is relatively well defined under various conditions, its evolution when it crosses biological barriers was unknown. In my research I utilized gold NPs and a transwell cellular model of the BBB (human brain endothelial cells - hCMEC/D3) to investigate this issue. The protein composition of the corona across the “brain” and “blood” compartments was qualitatively and semi-quantitatively analyzed using SDS-PAGE and MS. The protein corona changed dramatically following passage through the BBB, since many proteins were removed, and 15 out of 381 were enriched in the “brain” side compared to the “blood” side, including alpha-2-macroglobulin and fetuin A. This clearly indicates the dynamic nature of the corona, and the ability or inability of specific proteins bound to NPs to traverse the BBB. The research also established that NP corona in the basolateral side is actually an evolution of the one formed on the apical side ruling out that it is formed in situ by interaction with proteins arriving independently from the apical side. Once beyond the barrier, the corona was stable upon incubation with other proteins Proteins that were enriched upon passage were used to functionalize NPs, demonstrating their ability to boost passage through the BBB and suggesting that physiological proteins could help to more effectively deliver drugs to the central nervous system. Altogether, these results are particularly relevant when developing NPs that are required to traverse any biological barrier and may lead to the more successful design of therapeutic a, No, open, Cox, A

BEAULIEU, JEAN-FRANCOIS, open, The recent application of nanotechnology in several fields has brought big improvements, but also a big question about their safety for humans. Particularly worrisome is the use of a great amount of metallic nanoparticles (mNPs) in food industry to improve food taste, consistency and preservation. Previous studies have demonstrated that they can impair intestinal homeostasis inducing cytotoxic damage, altering the permeability and activating autophagic processes. Moreover, they can interact with the immune system, causing different immunomodulatory effects. Since all these processes are involved in the development of celiac disease (CeD), a multifactorial enteropathy caused by dietary gliadin ingestion, we speculate that mNP may be one of the environmental factors involved in the increased incidence of this disease. Therefore we evaluated the potential interaction and synergic effects of the most used mNP (TiO2-NP used as food coloring agent, ZnO- and Ag-NP used for their antimicrobial effects and AuNP used in the agro-food sector) with the peptic-triptic digested gliadin (PTG) using several intestinal models. Cytotoxic effects and permeability alterations were studied on CaCo2 intestinal cell line, autophagic induction was evaluated on HIEC cells (primary human crypt-like epithelial cells). To evaluate the immune response, we employed duodenal biopsy specimens from both healthy subjects and celiac patients (on gluten-free diet). To characterize the morphological tissue changes we performed organs culture studies on jejunum from human fetus at mid-gestation (17-19 weeks). Results showed worse effects when mNP were used in combination with the PTG, in all the used models. Particularly important are the data showing a significant increment in cytokines production after treatment with the combination of Au-, Ag- and TiO2-NP with PTG on biopsies from celiac patients, but not from healthy subjects. This could mean that, although the use of mNP in the food industry induce, Sebbene l'uso di nanomateriali sta crescendo, non è ancora stato capito se rappresenti un rischio per la nostra salute. Particolarmente, l'uso di nanoparticelle nell'industria alimentare è preoccupante. Infatti, differenti gruppi di ricerca hanno dimostrato che, particolarmente le nanoparticelle metalliche, possono alterare l'omeostasi intestinale. Conseguentemente potrebbero rappresentare un fattore di rischio nell'insorgenza di patologie infiammatorie intestinali, come la Celiachia. La Celiacha è una patologia autoimmune che si sviluppa in soggetti geneticamente predisposti, dopo l'ingestione di glutine. Considerando queste premesse, lo scopo del nostro lavoro è capire se il crescente uso di nanoparticelle alimentari possa avere un ruolo nell’ eziopatogenesi della Celiachia. Gli effetti di nanoparticelle alimentari con o senza glutine sono quindi stati studiati in differenti modelli che mimano l’intestino. Risultati hanno evidenziato che la stimolazioni con glutine e nanoparticelle alimentari inducono peggiori effetti che le singole componenti. Tutte le alterazioni ottenute potrebbero comportare l’instaurarsi della Celiachia in un numero maggiore di soggetti predisposti, suggerendo che l’uso di nanoparticelle nell’industria alimentare dovrebbe essere maggiormente controllato., No, embargoed_20220128, Mancuso, C

open, Biological drugs (BD) include a wide range of products such as proteins, peptides, genetic materials and cells. Compared with the traditional small chemical drugs, BD generally show higher potency and selectivity of action and, so, have the potential to address many chronic diseases and various unmet medical needs. Unfortunately, most of BD are characterized by short circulating half-life, low stability and rapid body clearance via glomerular filtration. Among the several strategies proposed to overcome these drawbacks, nanoparticles (NPs) are emerging as valid drug delivery tools: indeed, they are able to improve the drug distribution, reduce its inactivation and elimination and provide the opportunity of non-invasive administration. The aim of this thesis was the development of NPs-based BD delivery systems. In particular, I was involved in two distinct projects: one concerned the hormonal substitution therapy, while the second a suicide gene delivery. In the first project, an oral nanocarrier for insulin colon delivery was developed. The novelty of this approach was the evaluation of the synergistic effect of colon release and muco-adhesive NPs in presence of a permeation enhancer. Insulin-loaded polymeric NPs (NI) were synthesized according to previously published protocols with several improvements. Then, NI were incorporated into cores that were subsequently coated with three overlapping layers, aiming to release insulin into the large intestine. The system was evaluated in vitro for its physico-technological characteristics, NPs dispersion, disintegration and release performance, showing delayed release behavior. Finally, the coated nanoformulation effect was tested in diabetic rats: a significant hypoglycaemic activity, due to the synergistic effect of NPs and colon delivery, was observed. Based on the in vivo efficacy, scalable process and safety profile, the proposed multitasking system appears a promising way to control diabetes. In the second project, li, Per farmaci biologici si intende principi attivi prodotti o derivati da una fonte biologica. Essi sono ampiamente studiati/impiegati come alternativa alle tradizionali piccole molecole organiche in quanto generalmente posseggono maggior potenza e specificità. Nonostante i grandi vantaggi, il loro utilizzo rimane ancora piuttosto limitato per la scarsa biodisponibilità intrinseca. Infatti, la suscettibilità a degradazione chimica ed enzimatica e l’elevata dimensione ne impediscono l’accumulo e/o l’azione nel tessuto target. Tra le diverse strategie proposte per superare queste limitazioni, le nanoparticelle (NPs) stanno emergendo come validi sistemi di trasporto e rilascio: esse infatti sono in grado di migliorare la distribuzione e l’assorbimento di farmaci e di ridurne l’inattivazione e l’eliminazione. Alla luce di quanto sopra esplicitato, lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo sviluppo di sistemi di rilascio di farmaci biologici basati sull’impiego di NPs. In particolare, sono stati affrontati due diversi progetti: il primo riguardante la terapia di sostituzione ormonale, il secondo riguardante il delivery di geni suicidi. Nel primo progetto, è stata progettata, sviluppata e testata una forma farmaceutica solida somministrabile per via orale contenente NPs incapsulanti l’insulina, un peptide largamente impiegato nel trattamento del diabete mellito di tipo 1 e di tipo 2 allo stadio avanzato. La novità di questo approccio consiste nella combinazione di due strategie normalmente impiegate per aumentare la biodisponibilità di peptidi/proteine per via orale: l’impiego di NPs mucoadesive e il rilascio al colon. NPs incapsulanti insulina sono state sintetizzate in accordo con un protocollo riportato in letteratura con diverse modifiche atte a rendere il prodotto adatto per gli step successivi. Successivamente, tali NPs sono state incorporate in una forma farmaceutica solida e i nuclei ottenuti sono stati rivestiti allo scopo di ottenere un sistema di rilascio al c, No, open, Salvioni, L

open, The use of therapeutic monoclonal antibodies (mAbs) has revolutionized cancer treatment. During the last decades, mAbs became very appealing also for nanotechnology. Indeed, they have been exploited as targeting moieties for nanoparticles, thanks to their high binding efficacy and target selectivity. However, the functionalization of NPs with mAbs is usually performed with the aim to ameliorate targeting, rather than to overcome mAbs limitations. Moreover, the therapeutic implications of nanoconjugation are generally poorly considered. In this thesis, I focused on the study of cancers with no efficient therapies available, such as brain cancers and triple negative breast cancer (TNBC), with the final goal to exploit nanoparticle (NP) conjugation as a tool to improve antibody-based therapies. In particular my work aimed at increasing the spectrum of action of already existing mAbs, making them suitable for new applications, either as the whole protein or as fragments. In Chapter 1, I used a recombinant human ferritin (HFn) as nanovector to promote mAbs permeation across the BBB to activate the ADCC response against brain cancer. Glioblastoma and HER2+ metastatic breast cancer were selected as brain tumor models. HFn was used as delivery system thanks to the ability to cross the BBB upon interaction with its receptor. Then, cetuximab or trastuzumab were linked to HFn and the maintenance of the cytotoxic activity of NPs was confirmed by in vitro assays. Next, we tested the ability of HFn- mAb to cross an in vitro model of BBB. Results showed that HFn-mAb proved to be effective in BBB crossing and that, after permeation, mAbs retained their biological activity against the targets, as assessed by MTS and ADCC assays. i These preliminary results support the use of HFn as efficient carrier to enhance mAbs permeation into the brain, without affecting their activity. In Chapter 2, half-chain fragments of cetuximab were conjugated to colloidal NPs (HC-CTX-NPs) to be investiga, L’utilizzo in clinica di anticorpi monoclonali (mAbs) ha rivoluzionato il trattamento del cancro. Negli ultimi 20 anni gli mAbs sono stati molto usati anche nel campo delle nanotecnologie dove, l’elevata specificità e selettività verso i target è stata sfruttata per aumentare la specificità di legame delle nanoparticelle (NPs) verso il bersaglio farmacologico, riducendo gli effetti collaterali dovuti alla diffusione passiva. Ad ogni modo, ad oggi, le implicazioni terapeutiche e gli effetti della coniugazione degli anticorpi sulle NPs, sono ancora poco considerati. In questa tesi mi sono focalizzata sullo studio di tumori per i quali non esistono ancora terapie adeguate, quali i tumori al cervello e al seno triplo negativo (TNBC), allo scopo di sfruttare le NPs come strumento per incrementare l’efficacia delle terapie basate sull’uso di mAbs. In particolare, il mio lavoro ha avuto come scopo l’incremento dello spettro di azione di mAbs, già approvati per uso clinico, rendendoli adatti a nuove applicazioni terapeutiche, sia come proteina intera sia come frammenti. Nel primo capitolo ho utilizzato una variante ricombinante di ferritina umana (HFn) come nanovettore per promuovere l’attraversamento della barriera emato-encefalica (BEE) di mAbs al fine di attivare la risposta immunitaria ADCC contro le cellule tumorali di cancro al cervello. Come modelli tumorali sono stati selezionati un tumore primario (Glioblastoma Multiforme) e un tumore secondario con metastasi cerebrali (tumore al seno HER2 positivo). HFn è stata scelta come sistema di trasporto grazie alla sua capacità di attraversare la BEE a seguito dell’interazione con il recettore TfR1. Ad essa ho coniugato gli anticorpi Trastuzumab e Cetuximab ed ho confermato, tramite saggi in vitro, il mantenimento della specificità di legame verso i target per entrambe le specie proteiche. Inoltre, ho valutato che, in seguito alla coniugazione su HFn, entrambi gli mAbs mantenessero le loro attività tossiche sulle cellule be, No, open, Rizzuto, M

Per farmaci biologici si intende principi attivi prodotti o derivati da una fonte biologica. Essi sono ampiamente studiati/impiegati come alternativa alle tradizionali piccole molecole organiche in quanto generalmente posseggono maggior potenza e specificità. Nonostante i grandi vantaggi, il loro utilizzo rimane ancora piuttosto limitato per la scarsa biodisponibilità intrinseca. Infatti, la suscettibilità a degradazione chimica ed enzimatica e l’elevata dimensione ne impediscono l’accumulo e/o l’azione nel tessuto target. Tra le diverse strategie proposte per superare queste limitazioni, le nanoparticelle (NPs) stanno emergendo come validi sistemi di trasporto e rilascio: esse infatti sono in grado di migliorare la distribuzione e l’assorbimento di farmaci e di ridurne l’inattivazione e l’eliminazione. Alla luce di quanto sopra esplicitato, lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo sviluppo di sistemi di rilascio di farmaci biologici basati sull’impiego di NPs. In particolare, sono stati affrontati due diversi progetti: il primo riguardante la terapia di sostituzione ormonale, il secondo riguardante il delivery di geni suicidi. Nel primo progetto, è stata progettata, sviluppata e testata una forma farmaceutica solida somministrabile per via orale contenente NPs incapsulanti l’insulina, un peptide largamente impiegato nel trattamento del diabete mellito di tipo 1 e di tipo 2 allo stadio avanzato. La novità di questo approccio consiste nella combinazione di due strategie normalmente impiegate per aumentare la biodisponibilità di peptidi/proteine per via orale: l’impiego di NPs mucoadesive e il rilascio al colon. NPs incapsulanti insulina sono state sintetizzate in accordo con un protocollo riportato in letteratura con diverse modifiche atte a rendere il prodotto adatto per gli step successivi. Successivamente, tali NPs sono state incorporate in una forma farmaceutica solida e i nuclei ottenuti sono stati rivestiti allo scopo di ottenere un sistema di rilasc, Biological drugs (BD) include a wide range of products such as proteins, peptides, genetic materials and cells. Compared with the traditional small chemical drugs, BD generally show higher potency and selectivity of action and, so, have the potential to address many chronic diseases and various unmet medical needs. Unfortunately, most of BD are characterized by short circulating half-life, low stability and rapid body clearance via glomerular filtration. Among the several strategies proposed to overcome these drawbacks, nanoparticles (NPs) are emerging as valid drug delivery tools: indeed, they are able to improve the drug distribution, reduce its inactivation and elimination and provide the opportunity of non-invasive administration. The aim of this thesis was the development of NPs-based BD delivery systems. In particular, I was involved in two distinct projects: one concerned the hormonal substitution therapy, while the second a suicide gene delivery. In the first project, an oral nanocarrier for insulin colon delivery was developed. The novelty of this approach was the evaluation of the synergistic effect of colon release and muco-adhesive NPs in presence of a permeation enhancer. Insulin-loaded polymeric NPs (NI) were synthesized according to previously published protocols with several improvements. Then, NI were incorporated into cores that were subsequently coated with three overlapping layers, aiming to release insulin into the large intestine. The system was evaluated in vitro for its physico-technological characteristics, NPs dispersion, disintegration and release performance, showing delayed release behavior. Finally, the coated nanoformulation effect was tested in diabetic rats: a significant hypoglycaemic activity, due to the synergistic effect of NPs and colon delivery, was observed. Based on the in vivo efficacy, scalable process and safety profile, the proposed multitasking system appears a promising way to control diabetes. In the second project, li

L’utilizzo in clinica di anticorpi monoclonali (mAbs) ha rivoluzionato il trattamento del cancro. Negli ultimi 20 anni gli mAbs sono stati molto usati anche nel campo delle nanotecnologie dove, l’elevata specificità e selettività verso i target è stata sfruttata per aumentare la specificità di legame delle nanoparticelle (NPs) verso il bersaglio farmacologico, riducendo gli effetti collaterali dovuti alla diffusione passiva. Ad ogni modo, ad oggi, le implicazioni terapeutiche e gli effetti della coniugazione degli anticorpi sulle NPs, sono ancora poco considerati. In questa tesi mi sono focalizzata sullo studio di tumori per i quali non esistono ancora terapie adeguate, quali i tumori al cervello e al seno triplo negativo (TNBC), allo scopo di sfruttare le NPs come strumento per incrementare l’efficacia delle terapie basate sull’uso di mAbs. In particolare, il mio lavoro ha avuto come scopo l’incremento dello spettro di azione di mAbs, già approvati per uso clinico, rendendoli adatti a nuove applicazioni terapeutiche, sia come proteina intera sia come frammenti. Nel primo capitolo ho utilizzato una variante ricombinante di ferritina umana (HFn) come nanovettore per promuovere l’attraversamento della barriera emato-encefalica (BEE) di mAbs al fine di attivare la risposta immunitaria ADCC contro le cellule tumorali di cancro al cervello. Come modelli tumorali sono stati selezionati un tumore primario (Glioblastoma Multiforme) e un tumore secondario con metastasi cerebrali (tumore al seno HER2 positivo). HFn è stata scelta come sistema di trasporto grazie alla sua capacità di attraversare la BEE a seguito dell’interazione con il recettore TfR1. Ad essa ho coniugato gli anticorpi Trastuzumab e Cetuximab ed ho confermato, tramite saggi in vitro, il mantenimento della specificità di legame verso i target per entrambe le specie proteiche. Inoltre, ho valutato che, in seguito alla coniugazione su HFn, entrambi gli mAbs mantenessero le loro attività tossiche sulle c, The use of therapeutic monoclonal antibodies (mAbs) has revolutionized cancer treatment. During the last decades, mAbs became very appealing also for nanotechnology. Indeed, they have been exploited as targeting moieties for nanoparticles, thanks to their high binding efficacy and target selectivity. However, the functionalization of NPs with mAbs is usually performed with the aim to ameliorate targeting, rather than to overcome mAbs limitations. Moreover, the therapeutic implications of nanoconjugation are generally poorly considered. In this thesis, I focused on the study of cancers with no efficient therapies available, such as brain cancers and triple negative breast cancer (TNBC), with the final goal to exploit nanoparticle (NP) conjugation as a tool to improve antibody-based therapies. In particular my work aimed at increasing the spectrum of action of already existing mAbs, making them suitable for new applications, either as the whole protein or as fragments. In Chapter 1, I used a recombinant human ferritin (HFn) as nanovector to promote mAbs permeation across the BBB to activate the ADCC response against brain cancer. Glioblastoma and HER2+ metastatic breast cancer were selected as brain tumor models. HFn was used as delivery system thanks to the ability to cross the BBB upon interaction with its receptor. Then, cetuximab or trastuzumab were linked to HFn and the maintenance of the cytotoxic activity of NPs was confirmed by in vitro assays. Next, we tested the ability of HFn- mAb to cross an in vitro model of BBB. Results showed that HFn-mAb proved to be effective in BBB crossing and that, after permeation, mAbs retained their biological activity against the targets, as assessed by MTS and ADCC assays. i These preliminary results support the use of HFn as efficient carrier to enhance mAbs permeation into the brain, without affecting their activity. In Chapter 2, half-chain fragments of cetuximab were conjugated to colloidal NPs (HC-CTX-NPs) to be investiga

Sebbene l'uso di nanomateriali sta crescendo, non è ancora stato capito se rappresenti un rischio per la nostra salute. Particolarmente, l'uso di nanoparticelle nell'industria alimentare è preoccupante. Infatti, differenti gruppi di ricerca hanno dimostrato che, particolarmente le nanoparticelle metalliche, possono alterare l'omeostasi intestinale. Conseguentemente potrebbero rappresentare un fattore di rischio nell'insorgenza di patologie infiammatorie intestinali, come la Celiachia. La Celiacha è una patologia autoimmune che si sviluppa in soggetti geneticamente predisposti, dopo l'ingestione di glutine. Considerando queste premesse, lo scopo del nostro lavoro è capire se il crescente uso di nanoparticelle alimentari possa avere un ruolo nell’ eziopatogenesi della Celiachia. Gli effetti di nanoparticelle alimentari con o senza glutine sono quindi stati studiati in differenti modelli che mimano l’intestino. Risultati hanno evidenziato che la stimolazioni con glutine e nanoparticelle alimentari inducono peggiori effetti che le singole componenti. Tutte le alterazioni ottenute potrebbero comportare l’instaurarsi della Celiachia in un numero maggiore di soggetti predisposti, suggerendo che l’uso di nanoparticelle nell’industria alimentare dovrebbe essere maggiormente controllato., The recent application of nanotechnology in several fields has brought big improvements, but also a big question about their safety for humans. Particularly worrisome is the use of a great amount of metallic nanoparticles (mNPs) in food industry to improve food taste, consistency and preservation. Previous studies have demonstrated that they can impair intestinal homeostasis inducing cytotoxic damage, altering the permeability and activating autophagic processes. Moreover, they can interact with the immune system, causing different immunomodulatory effects. Since all these processes are involved in the development of celiac disease (CeD), a multifactorial enteropathy caused by dietary gliadin ingestion, we speculate that mNP may be one of the environmental factors involved in the increased incidence of this disease. Therefore we evaluated the potential interaction and synergic effects of the most used mNP (TiO2-NP used as food coloring agent, ZnO- and Ag-NP used for their antimicrobial effects and AuNP used in the agro-food sector) with the peptic-triptic digested gliadin (PTG) using several intestinal models. Cytotoxic effects and permeability alterations were studied on CaCo2 intestinal cell line, autophagic induction was evaluated on HIEC cells (primary human crypt-like epithelial cells). To evaluate the immune response, we employed duodenal biopsy specimens from both healthy subjects and celiac patients (on gluten-free diet). To characterize the morphological tissue changes we performed organs culture studies on jejunum from human fetus at mid-gestation (17-19 weeks). Results showed worse effects when mNP were used in combination with the PTG, in all the used models. Particularly important are the data showing a significant increment in cytokines production after treatment with the combination of Au-, Ag- and TiO2-NP with PTG on biopsies from celiac patients, but not from healthy subjects. This could mean that, although the use of mNP in the food industry induce

Nanoparticles (NPs) are studied as a promising tool to efficiently deliver drugs across biological barriers, which can hinder effective pharmacological treatment for a variety of diseases. One of the key issues to evaluate is the corona, a layer of proteins attached to the surface, formed upon contact of NPs with biological fluids. It is well known that the corona affects bioavailability, toxicity and clearance of NPs. Though the corona is relatively well defined under various conditions, its evolution when it crosses biological barriers was unknown. In my research I utilized gold NPs and a transwell cellular model of the BBB (human brain endothelial cells - hCMEC/D3) to investigate this issue. The protein composition of the corona across the “brain” and “blood” compartments was qualitatively and semi-quantitatively analyzed using SDS-PAGE and MS. The protein corona changed dramatically following passage through the BBB, since many proteins were removed, and 15 out of 381 were enriched in the “brain” side compared to the “blood” side, including alpha-2-macroglobulin and fetuin A. This clearly indicates the dynamic nature of the corona, and the ability or inability of specific proteins bound to NPs to traverse the BBB. The research also established that NP corona in the basolateral side is actually an evolution of the one formed on the apical side ruling out that it is formed in situ by interaction with proteins arriving independently from the apical side. Once beyond the barrier, the corona was stable upon incubation with other proteins Proteins that were enriched upon passage were used to functionalize NPs, demonstrating their ability to boost passage through the BBB and suggesting that physiological proteins could help to more effectively deliver drugs to the central nervous system. Altogether, these results are particularly relevant when developing NPs that are required to traverse any biological barrier and may lead to the more successful design of therapeutic a, Nanoparticles (NPs) are studied as a promising tool to efficiently deliver drugs across biological barriers, which can hinder effective pharmacological treatment for a variety of diseases. One of the key issues to evaluate is the corona, a layer of proteins attached to the surface, formed upon contact of NPs with biological fluids. It is well known that the corona affects bioavailability, toxicity and clearance of NPs. Though the corona is relatively well defined under various conditions, its evolution when it crosses biological barriers was unknown. In my research I utilized gold NPs and a transwell cellular model of the BBB (human brain endothelial cells - hCMEC/D3) to investigate this issue. The protein composition of the corona across the “brain” and “blood” compartments was qualitatively and semi-quantitatively analyzed using SDS-PAGE and MS. The protein corona changed dramatically following passage through the BBB, since many proteins were removed, and 15 out of 381 were enriched in the “brain” side compared to the “blood” side, including alpha-2-macroglobulin and fetuin A. This clearly indicates the dynamic nature of the corona, and the ability or inability of specific proteins bound to NPs to traverse the BBB. The research also established that NP corona in the basolateral side is actually an evolution of the one formed on the apical side ruling out that it is formed in situ by interaction with proteins arriving independently from the apical side. Once beyond the barrier, the corona was stable upon incubation with other proteins Proteins that were enriched upon passage were used to functionalize NPs, demonstrating their ability to boost passage through the BBB and suggesting that physiological proteins could help to more effectively deliver drugs to the central nervous system. Altogether, these results are particularly relevant when developing NPs that are required to traverse any biological barrier and may lead to the more successful design of therapeutic a