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Background: Due to the use of organophosphates (OP) as pesticides and the availability of OP-type nerve agents, an effective medical treatment for OP poisonings is still a challenging problem. The acute toxicity of an OP poisoning is mainly due to the inhibition of acetylcholinesterase (AChE) in the peripheral and central nervous systems (CNS). This results in an increase in the synaptic concentration of the neurotransmitter acetylcholine, overstimulation of cholinergic receptors and disorder of numerous body functions up to death. The standard treatment of OP poisoning includes a combination of a muscarinic antagonist and an AChE reactivator (oxime). However, these oximes can not cross the blood-brain barrier (BBB) sufficiently. Therefore, new strategies are needed to transport oximes over the BBB. Methodology/Principal Findings: In this study, we combined different oximes (obidoxime dichloride and two different HI 6 salts, HI 6 dichloride monohydrate and HI 6 dimethanesulfonate) with human serum albumin nanoparticles and could show an oxime transport over an in vitro BBB model. In general, the nanoparticulate transported oximes achieved a better reactivation of OP-inhibited AChE than free oximes. Conclusions/Significance: With these nanoparticles, for the first time, a tool exists that could enable a transport of oximes over the BBB. This is very important for survival after severe OP intoxication. Therefore, these nanoparticulate formulations are promising formulations for the treatment of the peripheral and the CNS after OP poisoning.
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.
Background: The blood-brain barrier (BBB) represents an insurmountable obstacle for most drugs thus obstructing an effective treatment of many brain diseases. One solution for overcoming this barrier is a transport by binding of these drugs to surface-modified nanoparticles. Especially apolipoprotein E (ApoE) appears to play a major role in the nanoparticle-mediated drug transport across the BBB. However, at present the underlying mechanism is incompletely understood.
Methodology/Principal Findings: In this study, the uptake of the ApoE-modified nanoparticles into the brain capillary endothelial cells was investigated to differentiate between active and passive uptake mechanism by flow cytometry and confocal laser scanning microscopy. Furthermore, different in vitro co-incubation experiments were performed with competing ligands of the respective receptor.
Conclusions/Significance: This study confirms an active endocytotic uptake mechanism and shows the involvement of low density lipoprotein receptor family members, notably the low density lipoprotein receptor related protein, on the uptake of the ApoE-modified nanoparticles into the brain capillary endothelial cells. This knowledge of the uptake mechanism of ApoE-modified nanoparticles enables future developments to rationally create very specific and effective carriers to overcome the blood-brain barrier.
Nanoplastics (NP) and microplastics (MP) accumulate in our environment as a consequence of the massive consumption of plastics. Huge knowledge-gaps exist regarding uptake and fate of plastic particles in micro- and nano-dimensions in humans as well as on their impact on human health.
This study investigated the transport and effects of 50 nm and 0.5 μm COOH-modified polystyrene (PS) particles, as representatives for NP and MP, in different biological models in vitro. Acute toxicity and potential translocation of the particles were studied at the human intestinal and placental barrier using advanced in vitro co-culture models. Furthermore, embryotoxicity and genotoxicity were investigated as highly sensitive endpoints.
Polystyrene was not acutely toxic in both sizes (nano- and microparticles). No transport across the intestinal and placental barrier but a cellular uptake and intracellular accumulation of PS nano- and microparticles were determined. The particles were identified as weak embryotoxic and non-genotoxic.
In contrast to single-organ studies, this multi-endpoint study is providing a data-set with the exact same type of particles to compare organ-specific outcomes. Our study clearly shows the need to investigate other types of plastics as well as towards long-term or chronic effects of plastic particles in different biological models in vitro.
The human blood–brain barrier (BBB) represents the interface of microvasculature and the central nervous system, regulating the transport of nutrients and protecting the brain from external threats. To gain a deeper understanding of (patho)physiological processes affecting the BBB, sophisticated models mimicking the in vivo situation are required. Currently, most in vitro models are cultivated on stiff, semipermeable, and non-biodegradable Transwell® membrane inserts, not adequately mimicking the complexity of the extracellular environment of the native human BBB. To overcome these disadvantages, we developed three-dimensional electrospun scaffolds resembling the natural structure of the human extracellular matrix. The polymer fibers of the scaffold imitate collagen fibrils of the human basement membrane, exhibiting excellent wettability and biomechanical properties, thus facilitating cell adhesion, proliferation, and migration. Cultivation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) on these scaffolds enabled the development of a physiological BBB phenotype monitored via the formation of tight junctions and validated by the paracellular permeability of sodium fluorescein, further accentuating the non-linearity of TEER and barrier permeability. The novel in vitro model of the BBB forms a tight endothelial barrier, offering a platform to study barrier functions in a (patho)physiologically relevant context.