Extracellular vesicles from a renewable natural source: development of new biomaterials

Extracellular vesicles (EVs) are cell-derived, membranous nanoparticles that mediate intercellular communication by transferring bioactive compounds such as proteins and RNAs. The discovery of EVs as natural nanotechnologies and means of communication between cells and even species has aroused great interest in the field of drug delivery. The EVs possess intrinsically several attributes that make them a good vehicle for the release of drugs in specific target organs and tissues. Indeed these particles: i) are well tolerated in the body, ii) have long circulating half-life, iii) are internalized by recipient cells and iv) are able of crossing the blood brain barrier. Pristine and engineered mammalian cell-derived EVs have recently contributing to the expanding research field known as “cell-free therapy”. Although the promising progresses, translational applications are currently obstructed by the challenges in the production manufacturing and bioengineering at scale of EVs. This PhD project has been supported by the European project H2020-VES4US, whose main purpose has been to develop a radically new platform for the production and functionalization of extracellular vesicles obtained from a renewable biological source, which will allow their application in a variety of fields, from nanomedicine to cosmetics or nutraceuticals. In this multidisciplinary and international scenario, the results of this PhD project supported the development of innovative bioprocesses inherent the separation and characterization of EVs from microalgae and their subsequent functionalization, in order to further exploit them for pharmaceutical, cosmetic and cosmeceutical application.

Le vescicole extracellulari (EV) sono nanoparticelle membranose derivate dalle cellule che mediano la comunicazione intercellulare trasferendo composti bioattivi come proteine e RNA. La scoperta delle EV come nanotecnologie naturali e mezzi di comunicazione tra cellule e persino tra specie ha suscitato grande interesse nel campo della somministrazione di farmaci. Le EV possiedono intrinsecamente diversi attributi che le rendono un buon veicolo per il rilascio di farmaci in organi e tessuti bersaglio specifici. Infatti, queste particelle: i) sono ben tollerate nel corpo, ii) hanno una lunga emivita circolante, iii) vengono internalizzate dalle cellule riceventi e iv) sono capaci di attraversare la barriera ematoencefalica. Le EV derivate dalle cellule mammaliane, sia in forma naturale che ingegnerizzata, hanno recentemente contribuito all'ampio campo di ricerca noto come "terapia senza cellule". Nonostante i progressi promettenti, le applicazioni traslazionali sono attualmente ostacolate dalle sfide nella produzione, fabbricazione e bioingegnerizzazione su larga scala delle EV. Questo progetto di dottorato è stato sostenuto dal progetto europeo H2020-VES4US, il cui scopo principale è stato quello di sviluppare una piattaforma radicalmente nuova per la produzione e funzionalizzazione di vescicole extracellulari ottenute da una fonte biologica rinnovabile, che consentirà la loro applicazione in una varietà di settori, dalla nanomedicina alla cosmesi o ai nutraceutici. In questo scenario multidisciplinare e internazionale, i risultati di questo progetto di dottorato hanno supportato lo sviluppo di bioprocessi innovativi relativi alla separazione e caratterizzazione delle EV dalle microalghe e alla loro successiva funzionalizzazione, al fine di sfruttarle ulteriormente per applicazioni farmaceutiche, cosmetiche e cosmeceutiche.