TRACEABLE METHODS FOR THE CHARACTERIZATION OF NANOTHERAPEUTICS

This PhD research investigated the interactions between nanoparticles and biological systems, with a particular focus on protein corona formation, a key factor governing nanoparticle stability, reactivity, and biological fate. Silver nanoparticles (AgNPs) were used as a model system and functionalized with human, bovine, and rabbit serum albumins under physiologically relevant conditions. Colloidal stability, protein corona formation, and biological effects were studied using complementary analytical techniques, including dynamic light scattering (DLS), UV–Vis spectroscopy, and asymmetric flow field-flow fractionation (AF4) coupled with multi-angle dynamic light scattering (MADLS). The results showed that albumin functionalization significantly improved AgNP colloidal stability in high ionic strength environments and that protein corona formation strongly depended on both protein identity and nanoparticle concentration. Human serum albumin produced the thickest corona, while increased nanoparticle concentration promoted protein adsorption at lower protein-to-particle ratios. AF4 analysis confirmed that the observed effects were intrinsic to nanoparticle–protein complexes. Biological studies using Caenorhabditis elegans and antimicrobial assays demonstrated that AgNPs exhibited lower toxicity than silver ions while maintaining antimicrobial efficacy. In parallel, the MRI contrast agent FeraSpin™ R was characterized within the EURAMET MetrINo project. Particle size and chemical homogeneity were evaluated using imaging, light scattering, and spectroscopic techniques. The findings highlighted the importance of combining complementary analytical methods and considering concentration- and scale-dependent effects to improve nanoparticle characterization and support the standardization of nanomedicines.

Il progetto di ricerca di dottorato ha avuto come oggetto lo studio delle interazioni tra nanoparticelle e sistemi biologici, con particolare attenzione alla formazione della corona proteica, un fattore chiave che governa la stabilità, la reattività e il destino biologico delle nanoparticelle. Le nanoparticelle d’argento (AgNPs) sono state utilizzate come sistema modello e funzionalizzate con albumina sierica umana, bovina e di coniglio in condizioni fisiologicamente rilevanti. La stabilità colloidale, la formazione della corona proteica e gli effetti biologici sono stati studiati mediante tecniche analitiche complementari, tra cui Dynamic Light Scattering (DLS), spettroscopia UV–Vis e Asymmetric Flow Field-Flow Fractionation (AF4) accoppiata a Multi-Angle Dynamic Light Scattering (MADLS). I risultati hanno mostrato che la funzionalizzazione con albumina migliora significativamente la stabilità colloidale delle AgNPs in ambienti ad elevata forza ionica e che la formazione della corona proteica dipende fortemente sia dall’identità della proteina sia dalla concentrazione delle nanoparticelle. L’albumina sierica umana ha prodotto la corona più spessa, mentre un aumento della concentrazione delle nanoparticelle ha favorito l’adsorbimento proteico a rapporti proteina/nanoparticella più bassi. L’analisi AF4 ha confermato che gli effetti osservati sono intrinseci ai complessi nanoparticella-proteina. Gli studi biologici condotti utilizzando Caenorhabditis elegans e saggi antimicrobici hanno evidenziato che le AgNPs presentano una tossicità inferiore rispetto agli ioni argento, mantenendo al contempo un’efficace attività antimicrobica. Parallelamente, nell’ambito del progetto EURAMET MetrINo, è stato caratterizzato l’agente di contrasto per risonanza magnetica FeraSpin™ R. Le dimensioni delle particelle e l’omogeneità chimica sono state valutate mediante tecniche di imaging, scattering della luce e spettroscopia. I risultati hanno evidenziato l’importanza di integrare tecniche analitiche complementari e di considerare gli effetti dipendenti dalla concentrazione e dalla scala di misura per migliorare la caratterizzazione delle nanoparticelle e supportare la standardizzazione dei nanoterapeutici.