Versatile, near infrared (NIR)-sensitive gold-antibody nano-conjugates for cancer targeting, imaging and therapy

Project leaders

Roberto Pini, Sergey Deyev

Agreement

RUSSIA - RAS old - Russian Academy of Sciences old

Call

CNR/RAS 2011-2013

Department

Materials and Devices

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Status of the project

New

Research proposal

Questo progetto svilupperà sinergie emergenti tra l’Istituto di Fisica Applicata Nello Carrara (IFAC, responsabile Dr Roberto Pini) e il Shemyakin & Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry (IBCH, responsabile Prof Sergey M. Deyev) nel settore interdisciplinare della nanomedicina e ottica biomedica.
Lo scopo principale di questo progetto sarà lo sviluppo di concetti innovativi per l’assemblaggio di nanoparticelle ibride con diverse componenti funzionali per applicazioni biomediche. In particolare verranno assemblate due componenti principali, il cui sviluppo appartiene alle competenze di più recente acquisizione dei due partner.
Componente 1: nanocilindri d’oro con risonanze plasmoniche nella finestra del vicino infrarosso (NIR) di maggiore penetrazione attraverso il corpo. I nanocilindri d’oro sono proposti per numerose applicazioni biomediche basate su due fasi successive: l’accumulo specifico nel target biologico di interesse quale ad es. un tumore; e l’eccitazione delle risonanze plasmoniche con luce laser nel NIR in regime mininvasivo (ossia di interazione minima con i tessuti endogeni) ad es. per indurre processi di conversione fototermica per imaging fotoacustico, fototermolisi selettiva ovvero ipertermia. I nanocilindri d’oro presentano coefficienti di estinzione ottica straordinari (100000 volte superiori rispetto ai pigmenti organici), accordabilità della risposta ottica attraverso tutta la finestra del NIR, stabilità unica in ambiente biologico, versatilità di associazione ad es. con macromolecole biologiche, prospettive eccellenti di biocompatibilità e sostenibilità di sintesi e manipolazione. La combinazione di queste caratteristiche giustifica l’interesse crescente della comunità biomedica per queste nanoparticelle.
Componente 2: frammenti Fv a catena singola di anticorpi (minianticorpi) anti-HER2/neu (minianti-HER2/neu). Queste molecole consentono il riconoscimento molecolare del recettore HER2/neu, sovraespresso sulla membrana plasmatica di svariate linee cellulari tumorali, anche di origine umana (ad es. carcinoma ovarico SKOV-3 e mammario SKBR-3), spesso associate a una prognosi difficile. Rispetto alla controparte standard anti-HER2/neu, minianti-HER2/neu presenta dimensioni ottimali per la circolazione sistemica e costi di produzione contenuti. Queste caratteristiche rendono minianti-HER2/neu una soluzione ideale per la veicolazione attiva verso tumori con sovraespressione di HER2/neu, e un modello rappresentativo di molecola per il riconoscimento molecolare del fenotipo neoplastico.
In questo progetto la coniugazione di queste componenti verrà realizzata mediante la coppia barnase–barstar. In confronto alla coppia avidina–biotina, queste proteine presentano affinità analoga, possibilità analoghe di combinazione con unità funzionali, ma interferenze assai meno importanti con molecole endogene. I nanocilindri d’oro verranno rivestiti con glicole polietilenico (PEG) per garantire biocompatibilità e biodisponibilità e successivamente con una delle proteine barnase oppure barstar. Contemporaneamente minianti-HER2/neu verrà fuso con le proteine complementari barstar oppure barnase rispettivamente. Attraverso l’affinità di barnase e barstar, la miscela dei nanocilindri d’oro e minianti-HER2/neu modificati in questo modo consentirà l’assemblaggio di nano-complessi oro-anticorpo attivabili nel vicino infrarosso e atti al targeting attivo di tumori con sovraespressione di HER2/neu. L’applicazione di questi nano-complessi verrà verificata in un modello di ipertermia di cellule del carcinoma ovarico SKOV-3 e mammario SKBR-3 in tre passi: specificità di accumulazione nelle linee cellulari SKOV-3 e SKBR-3 in vitro, efficienza di conversione fototermica in fantocci a seguito di irraggiamento con un laser a diodo con emissione in continua nel NIR, e infine efficienza e selettività dell’ipertermia in vitro.
La bellezza di questo approccio di coniugazione consiste nella versatilità e facilità di assemblaggio dei nano-complessi, mediante concetti di click chemistry alla portata di un utilizzatore finale. Ad es. nanocilindri d’oro modificati con barnase potrebbero venire associati dall’utilizzatore finale con un minianticorpo qualsiasi oppure anche una miscela qualsiasi di minianticorpi, aptameri, ecc. fusi con barstar, oppure i minianticorpi anti-HER2/neu fusi con barnase coniugati a particelle magnetiche, quantum dot, farmaci chemioterapici, oligonucleotidi antisenso, ecc. modificati con barstar, ecc..
L’implementazione di questo progetto valorizzerà e si avvarrà delle competenze e sinergie delle unità IFAC e IBCH. IFAC: Terapie fototermiche per associazione di pigmenti esogeni e luce nel NIR. Sintesi, PEGilazione e coniugazione con anticorpi di nanocilindri d’oro con risonanze plasmoniche nel NIR. Sviluppo di applicazioni biomediche di queste nanoparticelle. Microscopia ottica ed elettronica. IBCH: Sintesi di vari minianticorpi (incluso minianti-HER2/neu), barnase e barstar. Preparazione di proteine di fusione. Gestione e valutazione di colture cellulari (incluse SKOV-3 e SKBR-3).
Questo progetto verrà articolato in sei fasi principali, con uno sforzo ripartito in modo omogeneo tra i partner:
1)    Preparazione e PEGilazione di nanocilindri d’oro (IFAC).
2)    Preparazione di minianti-HER2/neu, barnase e barstar e fusione di minianti-HER2/neu – barnase e minianti-HER2/neu – barstar (IBCH).
3)    Assemblaggio dei nano-complessi oro-anticorpo (IFAC).
4)    Valutazione della specificità per cellule con sovraespressione di HER2/neu (IBCH);
5)    Ed efficienza di conversione fototermica (IFAC) di questi nano-complessi.
Valutazione di efficienza e selettività dell’ipertermia in vitro (IBCH).

Research goals

Questo progetto si pone l’obiettivo di creare una nuova collaborazione tra IFAC e IBCH nei settori della nanomedicina e ottica biomedica. L’intersezione di questi ambiti disciplinari innovativi fornisce frontiere e prospettive di estremo interesse scientifico, medico ed industriale. Di conseguenza, questo progetto porrà le basi per accedere a numerose opportunità di finanziamento in campo europeo (ad es. programma NMP del FP7) ed intercontinentale (ad es. programma HFSP).
Dal punto di vista scientifico, l’obiettivo principale è la dimostrazione di un concetto versatile di assemblaggio di nano-complessi di due unità funzionali complementari per il targeting, imaging e terapia del cancro. Il merito di questi nano-complessi verrà verificato in vitro. In particolare verranno dimostrate la selettività del targeting e la specificità ed efficienza dell’ipertermia mediante attivazione con luce laser nel NIR.
Dal punto di vista pubblicistico, viene prevista la partecipazione a conferenze internazionali e, sulla base dei record recenti delle unità IFAC (Nanomedicine, Adv. Mater., …) e IBCH (PNAS, Nat. Biotechnol., …) nei settori di riferimento, la pubblicazione degli sviluppi su riviste a fattore di impatto elevato.

Last update: 08/06/2025