Interazione Nanoparticelle d'oro e Anticorpi: uno studio sugli effetti dell'ambiente di reazione.

Nanometerials have become more important throughout the modern age, although they were discovered long before. In the Middle Ages blacksmiths and artisans already appreciated the characteristics of shine and gloss that they were able to give to the surfaces. The nanoparticles gain unique properties, which are completely different from the same materials in microscopic scale. In this work there is a focus on the physico-chemical and optical properties of gold in its nanoparticle colloid form. During the first chapter is adressed one of the main features: the waveband SPR, Surface Plasmon Resonance. In this particular condition the Gold Nano-Particles resonate with an electromagnetic radiation incident of the electromagnetic spectrum in the visible and ultraviolet range, forming a more probable state where surface electrons enter into oscillation obtaining the formation of a dipole and the absorption of light. With the help of spectroscopic measurements we can get information on specific behaviors of the world in nano-scale, however, spectroscopy is not the only technique used in the study of GNPs. Many of the properties and behaviors that nanoparticles acquire, including the position of the SPR band, are due to several factors, specifically to their own geometry and dimensions and to the environment in which they are located. The study of this last factor is entrusted almost exclusively to obtaining and comparing the molar extinction coefficients and refraction indices. Instead for the geometry and the size there are consolidated methods, like the electronically transmitted microscopy or measures of dynamic light scattering (DLS). In the last two decades there was a lot of research focus on GNPs and it is fascinating in how many fields they have been covered, like engineering, the analytical chemistry, in medicine, in physics and biology. The study of nanoparticles is being consolidated and greater resources are invested to understand how to exploit these materials. Prominent was the role of nanomedicine, which deals with the constant search for new possibilities in the diagnostic and clinical field and in patient care mechanisms. The nanomaterials are also studied in interaction with the biological world, in particular with proteins. The final aim of this thesis is the study of the interaction between GNPs and a specific type of protein, the immunoglobulins (or antibodies). From the bibliography we deduce the absorption of antibodies on the surface of nanoparticles governed by several factors and subsequent formation of protein-corona, although it remains a thermodynamically spontaneous and reversible process. An important aspect concerns the effects that the interaction with the nanoparticle has on the structure of the antibody. For this reason antibodies can be used as therapeutic, facilitated by nanocarrier, or as selective binders in different analytical platforms. In both applications it is important that the structure and functionality of the antibody remain intact and that the number and orientation of antibodies, compared to the surface of the nanoparticle, can be ideally controlled. In the experimental part of this thesis spectroscopic information has been combined with dimensional one, to study how the antibody-GNP interaction is affected by the environment in which it occurs and by the presence of other ions in the solution (deriving from the modification of the pH of the medium or by the addition of buffer salts).

I nanomateriali hanno acquisito una notevole importanza nel corso dell'età moderna, sebbene i loro usi siano di vecchia data. Sono le proprietà uniche delle nanoparticelle che fanno sì che esse vengano messe sotto i riflettori parlando così di caratteristiche completamente differenti rispetto ai materiali in scala macroscopica, o anche detti in bulk. Una delle caratteristiche principali, affrontata nel capitolo 1, risulta la banda SPR, ovvero la risonanza plasmonica di superficie: condizione in cui le GNPs (dall'inglese Gold NanoParticles) entrano in risonanza con una radiazione elettromagnetica incidente, classicamente nella regione del visibile e dell'ultravioletto, dello spettro elettromagnetico. Ciò significa che gli elettroni presenti sulla superficie del nanomateriale, entrano in oscillazione, garantendo la formazione di un dipolo aumentando, così la probabilità dei fenomeni di assorbimento della luce. Attraverso la misura spettroscopica si possono ricavare informazioni su specifici comportamenti del mondo in nano scala. Tuttavia, la spettroscopia non risulta essere l'unica tecnica impiegata nello studio delle GNPs. Moltissime delle proprietà e dei comportamenti che le nanoparticelle acquisiscono, tra cui la stessa posizione della banda SPR, sono dovuti a fattori differenti, in particolar modo alla geometria, alle dimensioni ed all'ambiente in cui esse si trovano. Per quanto concerne l'ultimo fattore, lo studio è affidato quasi unicamente all'ottenimento ed al confronto dei coefficienti di estinzione molare e degli indici di rifrazione. Discorso diverso viene fatto per geometria e dimensioni per cui esistono metodiche consolidate nel tempo tra cui le misure di dynamic light scattering, (DLS), tecnica utilizzata nel presente lavoro di tesi. Nel corso degli anni e in particolar modo nell'ultimo ventennio, le ricerche che hanno come protagonista le GNPs sono tantissime e ciò che affascina è la possibilità di trovarle in ambiti anche molto diversi tra loro. Ad acquisire una rilevanza principale è proprio la nanomedicina con la ricerca costante di nuove possibilità in ambito diagnostico, clinico e in meccanismi di cura del paziente. Questa tesi ha, come obbiettivo finale, lo studio dell'interazione che s'istaura tra GNPs e una classe specifica di proteine, ossia le immunoglobuline o anticorpi. È ormai noto l'adsorbimento degli anticorpi sulla superficie delle nanoparticelle, governato da diversi fattori, con successiva formazione della corona proteica, sebbene rimanga un processo termodinamicamente spontaneo e reversibile. Un aspetto importante riguarda gli effetti che l'interazione con la nanoparticella ha sulla struttura dell'anticorpo. Infatti, gli anticorpi possono essere impiegati come terapeutici, veicolati dai nanocarrier, oppure come leganti selettivi in diverse piattaforme analitiche. In entrambe le applicazioni, sarebbe importante che la struttura e la funzionalità dell'anticorpo rimanessero integre, e, idealmente, che il numero e l'orientazione degli anticorpi rispetto alla superficie della nanoparticella fossero controllabili. La parte sperimentale della tesi è consistita nello sfruttare una combinazione di informazioni spettroscopiche e dimensionali per studiare come l'interazione anticorpo-GNP sia influenzata dall'ambiante in cui essa avviene, ed in modo particolare, in relazione alla presenza di altri ioni presenti nella soluzione (es: dalla modifica del pH del mezzo, dall'aggiunta di sali tampone).