rational design of functionalized lipids with antioxidant and scavenging activity as components of innovative artificial tears

During three years of my PhD course, I studied the rational design of functionalized lipid with antioxidant activity to be used for the formulation of artificial tears. We chosen the liposomes to carrier the antioxidant molecules that we studied; we started using the edaravone (EDR), which has been suitably functionalized (EDR-C18), without decrease the antioxidant properties of the molecule. For this purpose, we made experimental studies showing that the EDR-C18 maintains high antioxidant capacity, only at this point we carried out the molecular dynamics (MD) simulations using pure lipid systems containing POPC and different EDR-C18 concentrations. The simulation data showed a high EDR-C18 stability in the membrane. We determined the optimal concentration to obtain an intact fluidity of the system and at the same time a high amount of antioxidant. On the basis on this simulation model, we created other MD systems in which we have investigated the effects of salts. We tested salt solutions already commonly used in the formulation of artificial tears, and we found that CaCl2 is better salt to use for our strategy. Such systems are extremely promising for the formulation of eye drops. Another antioxidant that we studied is the epigallocatechin3-gallate (EGCG). It has the ability to interact spontaneously with lipid system, for this reason, it was not functionalized. We carried out MD simulations creating mixed lipid systems to investigate the effects of the matrix on the EGCG encapsulation. In addition, we modulated on salt concentration and we found that the best model is the anionic lipid system with an amount of magnesium equal to 5:1 in molar ratio with EGCG the system in which all the EGCG introduced is encapsulated, maximizing the bioavailability of the antioxidant compound, that is able to reach the lipid medium of lacrimal tear and to retain in it.

Durante i tre anni di dottorato mi sono occupato del design razionale di lipidi funzionalizzati ad attività antiossidante da utilizzare per la formulazione di lacrime artificiali. Abbiamo scelto i liposomi per veicolare le molecole antiossidanti testate; siamo partiti utilizzando l’Edaravone (EDR), il quale è stato opportunamente funzionalizzato (EDR-C18), senza diminuire le proprietà antiossidanti della molecola. Abbiamo condotto studi sperimentali evidenziando che l’EDR-C18 mantiene elevate capacità antiossidanti, solo a questo punto abbiamo condotto simulazioni di dinamica molecolare utilizzando un sistemi lipidici puri contenti fosfatidilcolina (POPC), e differenti concentrazioni di EDR-C18. I dati di simulazione hanno evidenziato una elevata stabilità dell’EDR-C18 in membrana. Abbiamo quindi determinato la concentrazione ottimale al fine di ottenere una intatta fluidità del sistema e allo stesso tempo una elevata quantità di antiossidante. Partendo da questo modello di simulazione, abbiamo creato altri sistemi di simulazione in cui abbiam investigato l’effetto dei Sali. Abbiamo testato soluzioni saline già comunemente utilizzate nella formulazione di lacrime artificiali, ed abbiamo riscontrato nel CaCl2 il sale maggiormente utile per la nostra strategia. Tali sistemi sono estremamente promettenti per la formulazione di gocce oculari. Un’altra molecola testata è l’epigallocatechin3-Gallato (EGCG). Essa ha la capacità di interagire spontaneamente con sistemi lipidici, perciò non è stata funzionalizzata. Abbiamo condotto delle simulazioni di dinamica molecolare creando sistemi lipidici misti per indagare l’effetto della matrice sulla capacità di inglobamento dell’EGCG. Abbiamo inoltre modulato la concentrazione salina ed abbiamo individuato nel sistema lipidico anionico con una quantità di Magnesio pari a 5:1 in rapporto molare con EGCG, il sistema in cui tutto l’EGCG introdotto viene inglobato, aumentando la biodisponibilità della molecola al massimo possibile.