Interazione di Nanoparticelle di Ossido di Cerio con sistemi biologici

The PhD project “Interaction of Cerium Oxide Nanoparticles with Biological systems” took place at the Physiology Lab (Human Physiology Unit, Department of Molecular Medicine, University of Pavia). This project aimed to understand how super-small nanoparticles, specifically Cerium Oxide (CNPs), interact with biological systems. In particular, the first part of the project was focused on the studying of the CNPs adhesion and internalization, and on the characterization of the specific interaction with microvilli as the first step for cellular internalization (MMA). For this purpose, negatively charged CNPs with a core size of 6 nm and an overall hydrodynamic diameter of 14.8 nm, functionalized with Polyacrylic acid (PAA), were used. Given the results obtained, MMA can be considered an alternative pathway for NPs internalization that does not depend on the chemical nature of the NPs or the cell types but is influenced by the size and surface functionalization of the NPs. Especially the negative charge given by PAA seemed fundamental for the adhesion with a specific component of microvilli membrane, possibly involving lipid rafts. MMA might represent an interesting alternative route for drug delivery in the case of epithelial cells that abound in microvilli, such as gastric and intestinal epithelia. In cells such as HeLa, in which the density and distribution of microvilli correlate with the cell cycle, this specific adhesion could be exploited to obtain delivery controlled by the status of the cell. The second part of the project aimed to understand the interaction, toxicity, and biodistributions of the nanoparticles in a whole organism. Specifically, Drosophila melanogaster was chosen, due to the long-existing experience of its use. The first goal was to find the right conditions to investigate whether CNPs could diffuse to different fly tissues/organs and to subsequently monitor the Ce oxidation state and evaluate the antioxidant effect based on their distribution. Although with many limitations, the in vivo CNPs–cell interaction study using Drosophila, offered a higher level of complexity compared to the cell culture, mimicking the NPs diffusion in the human body.

Il progetto di dottorato “Interazione di Nanoparticelle di Cerium Oxide con sistemi biologici” si è svolto presso il Laboratorio di Fisiologia (Unità di Fisiologia Umana, Dipartimento di Medicina Molecolare, Università di Pavia). Questo progetto mirava a comprendere come nanoparticelle, in particolare nanoparticelle di ossido di cerio (CNP), interagiscono con i sistemi biologici. In particolare, la prima parte del progetto è stata focalizzata sullo studio dell'adesione e internalizzazione delle CNP, e sulla caratterizzazione dell'interazione specifica con i microvilli come primo step per l'internalizzazione cellulare (MMA). A tale scopo sono stati utilizzati CNP caricate negativamente con una dimensione del nucleo di 6 nm e un diametro idrodinamico complessivo di 14,8 nm, funzionalizzate con acido poliacrilico (PAA). Dati i risultati ottenuti, l'MMA può essere considerato un percorso alternativo per l'internalizzazione delle NP che non dipende dalla natura chimica delle NP o dai tipi cellulari, ma è influenzato dalle dimensioni e dalla funzionalizzazione superficiale delle NP. Soprattutto la carica negativa data dal PAA è stata fondamentale per l'adesione con un componente specifico della membrana dei microvilli. L'MMA potrebbe rappresentare un'interessante via alternativa per la somministrazione di farmaci nel caso di cellule epiteliali che abbondano di microvilli, come gli epiteli gastrici e intestinali. In cellule come le HeLa, in cui la densità e la distribuzione dei microvilli sono correlate al ciclo cellulare, questa specifica adesione potrebbe essere sfruttata per ottenere un rilascio controllato dallo stato della cellula. La seconda parte del progetto mirava a comprendere l'interazione, la tossicità e la biodistribuzione delle nanoparticelle in un organismo complesso. Nello specifico è stato scelto Drosophila melanogaster come animale modello, vista la lunga esperienza nel suo utilizzo nella ricerca. Il primo obiettivo era trovare le condizioni giuste per indagare se le CNP potessero diffondersi a diversi tessuti/organi della mosca e successivamente monitorare lo stato di ossidazione del Ce e valutare l'effetto antiossidante in base alla loro distribuzione. Sebbene con molte limitazioni, lo studio in vivo dell'interazione CNPs-cellule utilizzando Drosophila melanogaster ha offerto un livello di complessità più elevato rispetto alla coltura cellulare, che imita la diffusione delle NP nel corpo umano.