Ανάπτυξη νέων βιοαποικοδομήσιμων και ευαίσθητων στο pH επαμφοτεριζόντων (zwitterionic) πολυμερών για στοχευμένη χορήγηση αντικαρκινικών φαρμάκων

Abstract

The present thesis focuses on the development, synthesis, and systematic investigation of novel biodegradable, pH-responsive zwitterionic nanocarriers for the targeted and controlled delivery of paclitaxel (PTX), a widely used chemotherapeutic agent for various cancer types. These nanocarriers are based on copolymers of poly(lactic acid) (PLA) and poly(ethylene adipate) (PEAd), functionalized with grafted sulfobetaine methacrylate (SBMA) side chains to achieve combined functionalities, including pH-responsiveness (acidic tumor microenvironment specificity), enhanced hydrophilicity, reduced nonspecific interactions, and controlled biodegradation. In this context, a synthetic strategy for the preparation of PLA/PEAd copolymers was established, and an extensive structural characterization was performed using a combination of spectroscopic (¹H-NMR, FTIR) and crystallographic techniques (XRD), thermal analysis (DSC, TGA), molecular weight determination, contact angle measurements, and biocompatibility assessment. Interestingly, hydrolytic degradation studies demonstrated the significant contribution of the PEAd segments in facilitating water uptake and accelerating degradation under acidic conditions that mimic the tumor microenvironment. Significant attention was given to exploring the relationship between copolymer structure and crystallinity, as well as the impact of these parameters on nanoparticle morphology and physicochemical properties, including particle size, size distribution, and PTX encapsulation efficiency. By varying the sonication time during nanoparticle formation, it was possible to tune particle dimensions and distribution, enabling a preliminary investigation of the relationship between nanoparticle size and PTX release rate, an essential design parameter for systems intended to achieve prolonged circulation and effective tumor penetration. Furthermore, the presence of SBMA groups contributed to the pH-mediated modulation of PTX release through dynamic rearrangement of the nanoparticle surface chemistry, while in vitro biocompatibility studies confirmed reduced cytotoxicity toward healthy cells and enhanced anticancer activity, demonstrating the suitability of the system as a targeted delivery platform. Thermal analysis combined with X-ray diffraction provided insights into the physical state of PTX within the nanostructures, revealing predominantly amorphous encapsulation and stable molecular dispersion within the polymer matrix. Long-term stability studies (0, 6, and 12 months) indicated a gradual reduction in crystallinity and changes in the endothermic melting transitions of PTX, attributed to mild chain rearrangements in the PLA/PEAd matrix and progressive redistribution of PTX within the softened polymeric domains. The findings demonstrate that the newly synthesized PLA/PEAd-SBMA copolymers possess several critical characteristics for the development of pH-responsive nanocarriers capable of targeted cytotoxic drug delivery, with improved stability, reduced nonspecific biomolecular interactions, and tunable degradation and release profiles, highlighting the potential of the proposed systems as versatile platforms for advanced nanomedicine applications.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη, τη σύνθεση και τη συστηματική μελέτη νέων βιοαποικοδομήσιμων, pH-αποκρινόμενων zwitterionic νανοφορέων για τη στοχευμένη και ελεγχόμενη χορήγηση της δραστικής ένωσης πακλιταξέλης (PTX), που χρησιμοποιείται ευρέως ως αντικαρκινικό φάρμακο για διάφορους τύπους καρκίνου. Οι φορείς αυτοί βασίζονται σε συμπολυμερή πολυ(γαλακτικού οξέος) (PLA) και πολυ(αδιπικό αιθυλενεστέρα) (PEAd), τροποποιημένα με εμβολιασμένες πλευρικές ομάδες μεθακρυλικής σουλφοβεταΐνης (sulfobetaine methacrylate, SBMA), με στόχο την επίτευξη συνδυασμένων λειτουργικοτήτων, όπως η ευαισθησία στο pH του καρκινικού μικροπεριβάλλοντος, η βελτιωμένη υδροφιλικότητα, οι μειωμένες μη ειδικές αλληλεπιδράσεις και η ελεγχόμενη βιοαποικοδόμηση. Ως εκ τούτου, αναπτύχθηκε μια ολοκληρωμένη συνθετική στρατηγική για την παρασκευή των συμπολυμερών PLA/PEAd, και πραγματοποιήθηκε εκτενής χαρακτηρισμός των δομών τους με ένα συνδυασμό φασματοσκοπικών (¹H-NMR, FTIR) και κρυσταλλογραφικών τεχνικών (XRD), θερμικής ανάλυσης (DSC, TGA), τεχνικών για τον προσδιορισμό του μοριακού βάρους, την μέτρηση της γωνίας επαφής και τη μελέτη της βιοσυμβατότητας των υλικών. Αξίζει να αναφερθεί σύντομα, ότι οι μελέτες υδρόλυσης κατέδειξαν τη σημαντική συμβολή των τμημάτων PEAd στη διευκόλυνση πρόσβασης νερού και στην επιτάχυνση της αποικοδόμησης υπό όξινες συνθήκες, οι οποίες προσομοιώνουν το καρκινικό μικροπεριβάλλον. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη διερεύνηση της σχέσης μεταξύ δομής και κρυσταλλικότητας, καθώς και στην αναμενόμενη επίδραση αυτών των παραμέτρων στη μορφολογία και στα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των παραγόμενων νανοσωματιδίων, όπως το μέγεθος, η κατανομή μεγέθους, και η ικανότητα ενθυλάκωσης PTX. Μέσω μεταβολής του χρόνου υπερήχησης κατά τον σχηματισμό των νανοσωματιδίων, κατέστη δυνατή η ρύθμιση των διαστάσεων και της κατανομής μεγέθους των νανοφορέων, με στόχο την προκαταρκτική διερεύνηση της σχέσης μεγέθους και ρυθμού αποδέσμευσης της δραστικής ένωσης, μια σημαντική παράμετρος στον σχεδιασμό συστημάτων κατάλληλων για παρατεταμένη κυκλοφορία και αποτελεσματική διείσδυση στον καρκινικό ιστό. Επιπλέον, η παρουσία των zwitterionic ομάδων SBMA συνέβαλε στη ρυθμιζόμενη απελευθέρωση της PTX μέσω αναδιάταξης της επιφανειακής χημείας των νανοφορέων υπό μεταβολή του pH, ενώ οι in vitro μελέτες βιοσυμβατότητας των νανοφορέων επιβεβαίωσαν μειωμένη κυτταροτοξικότητα σε υγιή κύτταρα, αλλά ενισχυμένη αντικαρκινική δράση, αποδεικνύοντας την καταλληλότητα του συστήματος ως φορέα στοχευμένης χορήγησης. Τέλος, η θερμική ανάλυση σε συνδυασμό με την περιθλασιμετρία ακτίνων-Χ επέτρεψαν τον προσδιορισμό της φυσικής κατάστασης της PTX εντός των νανοδομών, αναδεικνύοντας την ενθυλάκωση της στην άμορφη (κατά κύριο λόγο) κατάσταση και τη σταθερή μοριακή διασπορά της εντός της πολυμερικής μήτρας, ενώ παράλληλα, η μελέτη της μακροχρόνιας σταθερότητας (0, 6 και 12 μήνες) φανέρωσε μια σταδιακή μείωση της κρυσταλλικότητας καθώς και μεταβολές στις ενδόθερμες κορυφές τήξης της δραστικής, οι οποίες αποδόθηκαν σε ήπια αναδιάταξη των αλυσίδων PLA/PEAd και περαιτέρω ενσωμάτωση ή ανακατανομή της PTX στη μαλακότερη πολυμερική μήτρα. Τα αποτελέσματα της διατριβής τεκμηριώνουν ότι τα συμπολυμερή PLA/PEAd-SBMA συγκεντρώνουν μερικά κρίσιμα χαρακτηριστικά για τη δημιουργία pH-αποκρινόμενων νανοφορέων, ικανών για στοχευμένη χορήγηση κυτταροτοξικών μορίων, με βελτιωμένη σταθερότητα, περιορισμένη αλληλεπίδραση με βιολογικές μακρομοριακές δομές και δυνατότητα προσαρμογής της αποικοδόμησης και απελευθέρωσης.