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Nanopartikuläre Arzneistoffsysteme sind ein viel versprechender Ansatz die speziellen Anforderungen, die an eine Arzneiform gestellt werden, zu erfüllen. Mit ihnen scheint das lang verfolgte Ziel der Pharmaforschung, das gezielte Transportieren ("Drug-Targeting") und das kontrollierte Freisetzen des Arzneistoffs am Wirkort ("Controlled Release") und damit das Minimieren unerwünschter Nebenwirkungen, in greifbare Nähe zu rücken. In der vorliegenden Arbeit konnte durch verschiedene Versuchsansätze in der präklinischen Testung der gezielte Wirkstofftransport zielgerichtet-modifizierter Nanopartikel (NP) auf humanem Serumalbumin (HSA)-Basis sowohl für das spezifische Tumor-Targeting als auch für die Überwindung der Blut-Hirn-Schranke (BHS) gezeigt werden. Die NP für das spezifische Tumor-Targeting waren mit dem Zytostatikum Doxorubicin beladen und mit dem tumorspezifischen Liganden Trastuzumab für ein Mammakarzinom-Zellen-Targeting oder DI17E6 für ein Melanom-Zellen-Targeting modifiziert. Ihre zielgerichtete Funktionalität konnte an verschiedenen Target-exprimierenden-Zelllinien gezeigt werden. Dabei konnte ihre spezifische zelluläre Bindung, Aufnahme und subzellulären Verteilung verifiziert werden. Die Ligand-modifizierten NP wurden bei diesen Untersuchungen spezifisch in die Zielzellen aufgenommen, während die unmodifizierten Kontroll-Partikel unspezifisch an der Zellmembran klebten. Die Freisetzung des Doxorubicins in einer biologisch aktiven Form konnte anhand entsprechender Zellviabilitäts-Assays gezeigt werden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der nanopartikulär transportierte Wirkstoff über den Rezeptor-internalisierenden Aufnahmeweg nicht in den Endosomen oder Lysosomen akkumulierte und damit inaktiv war, sondern dass er in wirksamer Form freigesetzt wurde. Als Besonderheit wurde mit DI17E6 für das spezifische Melanom-Zellen-Targeting ein Antikörper als ziel-orientierter Ligand eingesetzt, der zusätzliche anti-tumorale Eigenschaften hat, die bei der Ankopplung an die NP-Oberfläche erhalten werden sollten. Durch speziell entwickelte in vitro Assays, die auf diese Eigenschaften abzielten, konnte der Erhalt der biologischen Wirksamkeit des Antikörpers bestätigt werden. Mit derartigen nanopartikulären Formulierungen, basierend auf biologisch abbau¬barem HSA, modifiziert mit entsprechenden zielgerichteten Liganden und anti-tumoralen Wirkstoffen, sollte aufgrund der hier gezeigten präklinischen Daten eine spezifische Tumortherapie möglich sein. Zum Überwinden der BHS wurden NP getestet, die mit Apolipoprotein E (ApoE) modifiziert waren. Dabei handelte es sich zum einen um leere NP für Aufnahmemechanismus-Studien und zum anderen um Obidoxim-beladene NP für Transportstudien. Bei Obidoxim handelt es sich um einen Vertreter der Stoffklasse der Oxime. Diese werden als Antidote bei Organophosphat (OP)-Vergiftungen eingesetzt. Oxime können die nach einer OP-Vergiftung inhibierte lebensnotwendige Acetylcholinesterase (AChE) reaktivieren. Da Oxime die BHS aber kaum überwinden können, wird die in den zentralnervösen Kompartimenten inhibierte AChE nicht in therapeutisch ausreichendem Maß erreicht. Daher sollte beispielhaft Obidoxim nanopartikulär-vermittelt über die BHS transportiert werden. Für beide Formulierungen konnte die spezifische zelluläre Bindung, Aufnahme und die subzelluläre Verteilung sowie ihre für ein BHS-Targeting kompatiblen, untoxischen Eigenschaften gezeigt werden. Mit den ApoE-modifizierten unbeladenen NP konnte durch verschiedene Koinkubations- und Hemmexperimente eindeutig die Beteiligung der "Low Density Lipoprotein" (LDL)-Rezeptor-Familie, und besonders des "Low Density Lipoprotein Receptor Related Protein" (LRP), bei der spezifischen ApoE-vermittelten NP-Aufnahme gezeigt werden. Dabei ließ sich die NP-Aufnahme auf zwei Wegen hemmen. Zum einen konnte von der zellulären Seite aus der beteiligte Aufnahme-Rezeptors mit dem "Receptor Associated Protein" gehemmt werden, wodurch eine spezifische ApoE-vermittelte NP-Aufnahme über eine Rezeptor-Bindung verhindert wurde. Zum anderen konnte aber auch, durch Blockade des ApoE auf der Partikeloberfläche mittels löslicher Fragmente des LRP, die ApoE-vermittelte NP-Aufnahme von nanopartikulärer Seite gehemmt werden. Durch die Kenntnis des Aufnahmemechanismus der nanopartikulären Formulierungen sollte es für zukünftige Entwicklungen im breiten Feld der BHS-Forschung möglich sein, sehr spezifische und effektivere Carrier maßzuschneidern. Zu Untersuchungen des Wirkstofftransports wurden frisch isolierte porcine Gehirnkapillarendothel-Zellen im Transwell-System als adäquates in vitro BHS-Modell etabliert und eingesetzt. Für den Nachweis des tatsächlichen Obidoxim-Transports wurde ein biologischer Assay entwickelt, der gemäß der therapeutischen Funktion von Oximen nach OP-Vergiftungen auf die Reaktivierung OP-vergifteter AChE abzielte. Es konnte gezeigt werden, dass nanopartikuläre Formulierungen tatsächlich einen verbesserten Transport von Obidoximen gegenüber freiem Obidoxim in einem in vitro BHS-Modell vermitteln. Diese nanopartikulären Transportsysteme stellen daher ein bisher einzigartiges, viel versprechendes Hilfsmittel zum Transport von Oximen über die BHS dar. Durch die in dieser Arbeit dargestellten Untersuchungen konnte insgesamt gezeigt werden, dass NP auf HSA-Basis für einen zielgerichteten Wirkstofftransport geeignet sind und aufgrund ihrer biokompatiblen, bioabbaubaren Eigenschaften einen viel versprechenden Ansatz für die zukünftige Pharmaforschung darstellen.
The need for test systems for nanoparticle biocompatibility, toxicity, and inflammatory or adaptive immunological responses is paramount. Nanoparticles should be free of microbiological and chemical contaminants, and devoid of toxicity. Nevertheless, in the absence of contamination, these particles may still induce undesired immunological effects in vivo, such as enhanced autoimmunity, hypersensitivity reactions, and fibrosis. Here we show that artificial particles of specific sizes affect immune cell recruitment as tested in a dermal air pouch model in mice. In addition, we demonstrate that the composition of nanoparticles may influence immune cell recruitment in vivo. Aside from biophysical characterizations in terms of hydrodynamic diameter, zeta potential, concentration, and atomic concentration of metals, we show that - after first-line in vitro assays - characterization of cellular and molecular effects by dermal air pouch analysis is straightforward and should be included in the quality control of nanoparticles. We demonstrate this for innate immunological effects such as neutrophil recruitment and the production of immune-modulating matrix metalloproteases such as MMP-9; we propose the use of air pouch leukocytosis analysis as a future standard assay.
Little attention so-far has been paid to the influence of chronobiology on the processes of nanoparticle uptake and transport into the brain, even though this transport appears to be chronobiologically controlled to a significant degree. Nanoparticles with specific surface properties enable the transport across the blood–brain barrier of many drugs that normally cannot cross this barrier. A clear dependence of the central antinociceptive (analgesic) effects of a nanoparticle-bound model drug, i.e., the hexapeptide dalargin, on the time of day was observable after intravenous injection in mice. In addition to the strongly enhanced antinociceptive effect due to the binding to the nanoparticles, the minima and maxima of the pain reaction with the nanoparticle-bound drug were shifted by almost half a day compared to the normal circadian nociception: The maximum in the pain reaction after i.v. injection of the nanoparticle-bound dalargin occurred during the later rest phase of the animals whereas the normal pain reaction and that of a dalargin solution was highest during the active phase of the mice in the night. This important shift could be caused by an enhanced endo- and exocytotic particulates transport activity of the brain capillary endothelial cells or within the brain during the rest phase.
Incorporation of doxorubicin in different polymer nanoparticles and their anticancer activity
(2019)
Background: Nanoparticles are under investigation as carrier systems for anticancer drugs. The expression of efflux transporters such as the ATP-binding cassette (ABC) transporter ABCB1 is an important resistance mechanism in therapy-refractory cancer cells. Drug encapsulation into nanoparticles has been shown to bypass efflux-mediated drug resistance, but there are also conflicting results. To investigate whether easy-to-prepare nanoparticles made of well-tolerated polymers may circumvent transporter-mediated drug efflux, we prepared poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), polylactic acid (PLA), and PEGylated PLGA (PLGA-PEG) nanoparticles loaded with the ABCB1 substrate doxorubicin by solvent displacement and emulsion diffusion approaches and assessed their anticancer efficiency in neuroblastoma cells, including ABCB1-expressing cell lines, in comparison to doxorubicin solution.
Results: The resulting nanoparticles covered a size range between 73 and 246 nm. PLGA-PEG nanoparticle preparation by solvent displacement led to the smallest nanoparticles. In PLGA nanoparticles, the drug load could be optimised using solvent displacement at pH 7 reaching 53 µg doxorubicin/mg nanoparticle. These PLGA nanoparticles displayed sustained doxorubicin release kinetics compared to the more burst-like kinetics of the other preparations. In neuroblastoma cells, doxorubicin-loaded PLGA-PEG nanoparticles (presumably due to their small size) and PLGA nanoparticles prepared by solvent displacement at pH 7 (presumably due to their high drug load and superior drug release kinetics) exerted the strongest anticancer effects. However, nanoparticle-encapsulated doxorubicin did not display increased efficacy in ABCB1-expressing cells relative to doxorubicin solution.
Conclusion: Doxorubicin-loaded nanoparticles made by different methods from different materials displayed substantial discrepancies in their anticancer activity at the cellular level. Optimised preparation methods resulted in PLGA nanoparticles characterised by increased drug load, controlled drug release, and high anticancer efficacy. The design of drug-loaded nanoparticles with optimised anticancer activity at the cellular level is an important step in the development of improved nanoparticle preparations for anticancer therapy. Further research is required to understand under which circumstances nanoparticles can be used to overcome efflux-mediated resistance in cancer cells.