Multi-scale simulations of targeting activity and cell membranes permeation of coated TiO2 nanoparticles for a photodynamic approach to tumor therapy

This work of thesis advances the theoretical exploration of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles (NPs) for cancer therapy through a multi-scale approach, combining Density Functional Tight-Binding (DFTB) and all-atom (AA) and coarse-grained (CG) molecular dynamics (MD) simulations. The aim is to investigate functionalized TiO2 NPs for active targeting of tumor cells and efficient membrane penetration. In Chapter 3, models of spherical TiO2 NPs conjugated with the targeting ligand folic acid (FA) are designed. DFTB calculations identify stable FA coordination modes, and TiO2-n-FA models are optimized with different FA content and coordination modes. The thermal stability of nanoconjugates is confirmed through DFTB simulated annealing. Polyethylene glycol (PEG) chains are introduced as biostability agents and two PEGylated models with different FA content are prepared. Atomistic classical MD simulations in a physiological environment explore the impact of FA density on ligand presentation. An optimal FA/TiO2 weight ratio of 0.5 is determined, in line with experimental results. Chapter 4 explores the interaction of FA-functionalized NPs with the folate receptor (FR). Docking, classical MD, umbrella sampling calculations and machine learning approaches on receptor/ligand complex identify the most stable protonation state of ligand in the FR pocket. Then, the interaction of FA-functionalized NPs with the FR, featuring one FA molecule docked inside the FR pocket, is explored through MD simulations. Effects of FA density, protonation state, and the presence of PEG on the interaction extent are examined. The absence of PEG results in excessive nanosystem-FR interaction, causing protein secondary structure deformation. Negatively charged FA molecules exhibit reduced self-interactions and increased interaction with FR. In Chapter 5, the interaction of polymer-coated NPs with cell membrane models is studied using coarse-grained MD. CG parameters for PEG chains are validated against atomistic MD data. CGMD simulations on free single polymer chains reveal stability of polyethylene (PE) monomers in the membrane core. Surface coverage of NPs with polymer chains and insertion into the bilayer align with free chain interactions with the membrane. Umbrella sampling calculations compute free energy profiles of NPs diffusion, indicating positive barriers for PEG-covered NPs and minimum-free energy wells for systems with PE monomers-containing chains.

Questo lavoro di tesi riguarda la simulazione di nanoparticelle (NP) di TiO2 per la terapia dei tumori tramite un approccio multi-scala, basato su calcoli Density Functional Tight-Binding (DFTB) e dinamica molecolare (MD) atomistica e coarse-grained (CG). Lo scopo è studiare NP di TiO2 funzionalizzate per il targeting attivo delle cellule tumorali e la permeazione delle membrane cellulari. Nel Capitolo 3 vengono progettati modelli di NP sferiche di TiO2 funzionalizzate con l’agente di targeting acido folico (FA). I calcoli DFTB identificano le modalità di coordinazione di FA più stabili e vengono ottimizzati modelli TiO2-n-FAs con diverso contenuto di FA e modalità di coordinazione. Vengono anche preparati due modelli PEGilati a diverso contenuto di FA. Simulazioni di MD a livello atomistico in ambiente fisiologico esplorano l'impatto della densità di FA sulla presentazione del ligando. Il Capitolo 4 esplora l'interazione tra le NP funzionalizzate con FA e il recettore del folato (FR). Calcoli di docking, MD atomistica, umbrella sampling (US) e machine learning sul complesso recettore/ligando identificano lo stato di protonazione più stabile del ligando nella tasca di FR. Poi, l'interazione tra le NP funzionalizzate con FA e FR, in cui una molecola di FA si trova all'interno della tasca FR, è studiata con simulazioni MD a livello atomistico. Vengono esaminati gli effetti della densità di FA, dello stato di protonazione e della presenza di PEG sull'entità dell'interazione. L'assenza di PEG determina un'eccessiva interazione nanosistema-FR, causando la deformazione della struttura secondaria della proteina. Le molecole di FA deprotonate mostrano interazioni FA-FA ridotte e una maggiore interazione con FR rispetto a quelle neutre. Nel Capitolo 5 è studiata l'interazione di NP rivestite di catene polimeriche con membrane lipidiche tramite simulazioni di MD CG. I parametri CG per le catene di PEG sono validati rispetto alle simulazioni atomistiche. Le simulazioni di singole catene polimeriche rivelano la stabilità dei polimeri contenenti unità monomeriche di polietilene (PE) nella membrana. I risultati delle simulazioni per la NP funzionalizzata e inserita nella membrana sono in accordo con quelli delle catene singole interagenti con la membrana. I calcoli US rivelano barriere di energia libera per la diffusione di NP PEGilate dalla fase acquosa alla membrana e minimi di energia libera all’interno della membrana per sistemi con catene contenenti monomeri PE.