Assessment of advanced tools for extracellular vesicle precision nanomedicine

Nanomedicine is the branch of medicine that uses nanotechnology for disease prevention, monitoring, and treatment: it involves the development and application of materials and technologies with nanometer length scales to act in different fields of medicine. Nanotechnology provides tools that can help to investigate the biological systems in detail. Tuning the properties of nanomaterials (NMs) to improve their pharmacokinetics and biocompatibility opens the possibility of new applications in the biomedical field. NMs are generally classified in synthetic (inorganic or organic) and biogenic. Synthetic NMs are till now the most investigated, but their clinical translation is hindered by several drawbacks, such as the safety issues concerning intrinsic toxicity and the lack of organotropism. Biogenic nanoparticles (NPs) possess unique properties and promise to be the optimal alternative candidates to synthetic NPs for a wide range of applications in nanomedicine. Extracellular Vesicles (EVs), belonging to the nanostructured secretome of the cells, are among the most interesting and investigated biogenic NPs due to their innate biological performances, including biocompatibility and organotropism. EV advantageous properties trigger some attractive outcomes based on the exploitation of such biogenic particles. Although their promising features, even biogenic NPs show limitations to clinical translation, such as the need for methods allowing isolation of pure NP preparations and for standardized characterization procedures, and a poor description of their biodistribution and circulation kinetics. The present thesis is contextualized in this topic. New approaches for the clinical applications of biogenic NPs (and EVs, in particular) in diagnostics and therapeutics were considered. The aim was to identify and assess innovative tools for facing and getting over the obstacles for EV clinical translation, with a particular focus on EVs in precision nanomedicine. Three main projects were set in this field.

La nanomedicina è la branca della medicina che utilizza le nanotecnologie per prevenire, monitorare e trattare le malattie: lo sviluppo e l’applicazione di materiali nanometrici possono fornire strumenti per studiare nel dettaglio i sistemi biologici. Il miglioramento di varie proprietà dei nanomateriali (NM) rende possibili nuove applicazioni nel campo biomedico. I NM sono generalmente classificati in sintetici (inorganici o organici) e biogenici. I NM sintetici sono ad oggi i più studiati, ma la loro traslazione in clinica è ostacolata da problemi di sicurezza riguardanti la tossicità intrinseca e la mancanza di organotropismo. Le nanoparticelle (NP) biogeniche possiedono proprietà uniche e potrebbero essere l’alternativa ottimale alle particelle sintetiche in nanomedicina. Le vescicole extracellulari (EV), facenti parte del secretoma nanostrutturato delle cellule, sono tra le NP biogeniche più interessanti e studiate per le loro vantaggiose proprietà biologiche, tra cui la biocompatibilità e l’organotropismo, che suggeriscono numerosi ambiti di utilizzo di tali particelle. Nonostante le loro caratteristiche promettenti, anche le NP biogeniche mostrano difficoltà per il passaggio alla clinica, come la necessità di metodi che consentano l’isolamento e l’arricchimento di campioni puri, nonché procedure di caratterizzazione standardizzate, oltre alle limitate conoscenze relative alla biodistribuzione e alla cinetica nell’organismo. La presente tesi si colloca in questo ambito. Sono stati presi in considerazione nuovi approcci per l’applicazione clinica delle NP biogeniche (e delle EV, in particolare) in campo diagnostico e terapeutico. L’identificazione e la validazione di strumenti innovativi sono stati gli obiettivi al centro del mio percorso di ricerca per affrontare e superare gli ostacoli alla traslazione delle EV nella clinica e nella medicina di precisione. In questo contesto sono stati sviluppati tre progetti principali.