Entwicklung, Charakterisierung und Testung von Nanopartikeln zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke auf Basis von Poly(butylcyanoacrylat)

Preparation, characterisation and test of nanoparticles based on poly(butyl cyanoacrylate) to overcome the blood-brain barrier

Die Herstellung von Poly(butylcyanoacrylat)-Nanopartikeln (PBCA-NP) ist seit fast 25 Jahren bekannt. Sie erfolgt meist durch anionische Emulsionspolymerisation von Butylcyanoacrylat unter Verwendung von Dextran 70.000 al
Die Herstellung von Poly(butylcyanoacrylat)-Nanopartikeln (PBCA-NP) ist seit fast 25 Jahren bekannt. Sie erfolgt meist durch anionische Emulsionspolymerisation von Butylcyanoacrylat unter Verwendung von Dextran 70.000 als Stabilisator. Vereinzelt wurde in früheren Arbeiten bereits Pluronic® F68 als Emulgator für die Polymerisationsreaktion verwendet. Diese Arbeit hat ihren Schwerpunkt in der Herstellung von PBCA-NP mit F68 als Stabilisator. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit diesem Hilfsstoff ebenfalls nanopartikuläre Trägersysteme reproduzierbar und im gewünschten Größenbereich um 200 nm herstellen lassen. Diese Partikel besitzen im Gegensatz zu Dextran-stabilisierten NP eine sehr enge Größenverteilung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die hergestellten NP im Bezug auf ihr Molekulargewicht und ihre Dichte charakterisiert. Ein Partikel besitzt die Masse von ca. 2,5 * 109 Dalton und hat eine Dichte von etwa 1,148 g/cm³. Bei einem PBCA-Nanopartikel handelt es sich jedoch nicht um ein Riesenmolekül, vielmehr wird er durch Agglomeration von relativ kurzen Polymerketten gebildet. Ein Partikel besteht aus ca. einer Million Polymerketten, welche ein Molekulargewicht von ca. 2500 g/mol besitzen. Der Einfluss der Herstellungsparameter auf leere und arzneistoffbeladene Partikel wurde untersucht. Die Partikel wurden hierbei durch die Parameter Partikelgröße, Polydispersität, Partikelausbeute, Zetapotential und Molekulargewicht charakterisiert. Neben der Herstellung durch anionische Emulsionspolymerisation wurden NP durch radikalische Emulsionspolymerisation und Nanopräzipitation erhalten. Auch unter Verwendung dieser Verfahren wurden Trägersysteme im gewohnten Größenbereich um 200 nm gebildet. Zusätzlich zur Herstellung von NP hat sich diese Arbeit auch mit den Charakterisierungsmethoden für kleinpartikuläre Arzneiformen auseinandergesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die häufig angewendete dynamische Lichtstreuung ein geeignetes Verfahren zur Ermittlung des mittleren Partikeldurchmessers darstellt. Die Ergebnisse dieser Methode stimmen weitgehend mit den Resultaten der zusätzlich verwendeten mikroskopischen Verfahren und der analytischen Ultrazentrifugation überein. Der Einsatz der analytischen Ultrazentrifugation lieferte die best aufgelöste Partikelgrößenverteilung und ermöglichte darüber hinaus die Bestimmung der Dichte der Partikel. Neben der mittleren Größe der Trägersysteme wurde auch das mittlere Molekulargewicht der gebildeten Polymerketten bestimmt. Die hierfür als Standard eingesetzte Gel-Permeations-Chromatographie wurde mit einem relativ neuen Verfahren, der MALDI TOF Massenspektrometrie verglichen. Beide Verfahren lieferten ein zahlenmittleres Molekulargewicht der Polymerketten von 2500 – 3000 Da. Lediglich im Bezug auf das gewichtsmittlere Molekulargewicht zeigten sich größere Unterschiede zwischen beiden Messverfahren, welche jedoch auf das zugrunde liegende Messprinzip und nicht auf das untersuchte PBCA zurückzuführen sind. Mit Hilfe der Massenspektrometrie konnte die chemische Struktur der Polymerketten näher aufgeklärt werden. Neben den Produkten des seit langem postulierten Reaktionsmechanismus finden sich Derivate des Polymers, welche formal durch Abspaltung bzw. Anlagerung von Formaldehyd entstehen. Die Menge an frei vorliegendem Formaldehyd scheint jedoch so gering zu sein, dass sie kaum die Hauptursache für die relative Toxizität der PACA-NP darstellen kann. Darüber hinaus ist es möglich, durch Wahl der Reaktionsbedingungen die Bildung von Derivaten des Ursprungspolymers und von Formaldehyd zu minimieren. Die Ergebnisse in der Herstellung und Charakterisierung von leeren Pluronic® F68-stabilisierten PBCA-NP ließen die Verwendung von Doxorubicin-beladenen NP unter Verwendung dieses Stabilisators für die Gehirntumor-Therapie viel versprechend erscheinen. Die hergestellten Nanopartikel zeigten eine im Vergleich zu Dextran-stabilisierten Doxorubicin-NP signifikant niedrigere Arzneistoffbeladung. Die dessen ungeachtet durchgeführte experimentelle Chemotherapie an Glioblastom-tragenden Ratten lieferte jedoch ermutigende Ergebnisse. Die neu entwickelte Zubereitung führte zu einem vergleichbaren Prozentsatz an Remissionen wie die bisherige Standard-PBCA-Formulierung. Die F68-stabilisierte Formulierung und die bisherige Standard-Formulierung mit Polysorbat 80 zeigten nach Inkubation mit humanem Plasma ein vergleichbares Adsorptionsmuster an Plasmaproteinen. Auf Basis der vorangegangenen Studien und dieser Arbeit erscheint es möglich, eine potente nanopartikuläre Doxorubicin-Zubereitung zu entwickeln, welche ausreichend charakterisiert ist, um ihre Anwendung am Menschen zu vertreten.
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The preparation of poly(butyl cyanoacrylate) nanoparticles (PBCA-NP) is well-known for almost 25 years. The particles are typically prepared by anionic emulsion polymerisation of butylcyanoacrylate in the presence of dex
The preparation of poly(butyl cyanoacrylate) nanoparticles (PBCA-NP) is well-known for almost 25 years. The particles are typically prepared by anionic emulsion polymerisation of butylcyanoacrylate in the presence of dextran 70,000 as a stabiliser. Occasionally Pluronic® F68 was used as an emulsifying agent for the polymerisation reaction. This work has its emphasis on the preparation of PBCA-NP with F68 as stabilizer. The resulting particles had a size of around 200 nm and – in contrast to dextran stabilised NP - a very narrow size distribution. In the context of this work the NP were characterised by their mean molecular weight and their density. One particle has a mass of approximately 2,5 * 109 Dalton and a density of 1.148 g/cm³. One PBCA-NP does not consist of a single giant molecule, but is formed by the aggregation of relatively short polymer chains with a mean molecular weight of approximately 2500 g/mol. The influence of the preparation parameters on empty and drug loaded particles was investigated. Particles were characterized by the parameters particle size, polydispersity, particle yield, zetapotential and mean molecular weight. In addition to the production of NP this work investigated the characterisation methods for nanoscale drug carriers. It was shown that the frequently used dynamic light scattering (DLS) represents a suitable method for the determination of the mean particle diameter. The results of this method were in good agreement with the results of microscopic methods and analytical ultracentrifugation, which were used in addition. Apart from the mean size of the carrier systems, the mean molecular weight of the formed polymer chains was determined. The commonly used size exclusion chromatography was compared with MALDI TOF mass spectrometry. Both methods supplied a number-average molecular weight of the polymer chains of 2500 - 3000 Da. Only in regard to the weight-average molecular weight the two techniques showed larger differences, which are a result of the different measurement principles of the methods and are not related to the examined PBCA. Mass spectrometry gave additional information on the chemical structure of the polymer chains. Beside the expected products of the reaction mechanism, there are derivatives of the polymer, which formally result from the separation and/or addition of formaldehyde. Besides empty particles, doxorubicin-loaded nanoparticles were produced with Pluronic F68 as a stabilizer. These particles showed a significantly lower drug-loading as dextran-stabilized systems. However, the accomplished experimental chemotherapy on glioblastome-bearing rats yielded encouraging results. The new preparation led to a comparable percentage of remissions as the “standard PBCA formulation”. On the basis of this work and earlier studies it seems to be possible to develop a potent nanoscale doxorubicin preparation which is sufficiently characterized and efficient to allow the application to humans.
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Metadaten
Author:Alexander Bootz
URN:urn:nbn:de:hebis:30-25832
Referee:Jörg Kreuter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2006/04/26
Year of first Publication:2006
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2006/04/10
Release Date:2006/04/26
Tag:Poly(butylcyanoacrylat) ; Raster-Kraft-Mikroskopie
Nanoparticles ; blood-brain barrier ; chemotherapy; molecular weight ; particle size
SWD-Keyword:Blut-Hirn-Schranke ; Dynamische Lichtstreuung ; Elektronenmikroskopie; Molekulargewichtsbestimmung ; Nanopartikel ; Teilchengröße
HeBIS PPN:177610158
Institutes:Pharmazie
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $