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Systematisch verabreichte Chemotherapeutika sind oft uneffektiv bei der Behandlung von Krankheiten des zentralen Nervensystems (ZNS). Eine der Ursachen hierfür ist der unzureichende Arzneistoff-Transport ins Gehirn aufgrund der Blut-Hirn-Schranke. Eine der Strategien für den nicht-invasiven Wirkstoff-Transport ins Gehirn ist die Verwendung von Nanopartikeln. Polybutylcyanoacrylat-Nanopartikel, die mit Polysorbat 80 (Tween® 80) überzogen wurden, können die Blut-Hirn-Schranke passieren und somit Wirkstoffe ins Gehirn transportieren. Wird die Blut-Hirn-Schranke durch einen Hirntumor partiell beschädigt und hierdurch ihre Permeabilität am Ort des Tumors erhöht, können Nanopartikel den Tumor zusätzlich durch den sogenannten EPR-Effekt erreichen. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Beladung der Nanopartikel durch Variation der Formulierungparameter mit dem Ziel optimiert, eine Formulierung mit höherer Wirksamkeit für die Therapie von Glioblastom-tragenden Ratten zu entwickeln. Außerdem wurde das Potential von Doxorubicin, das an mit „Stealth Agents“ überzogenen Polybutylcyanoacrylat-Nanopartikel gebunden war, für die Chemotherapie von Hirntumoren untersucht. Im zweiten Teil dieser Studie wurden die Gehirn- und Körperverteilung in gesunden und in Glioblastom-101/8-tragenden Ratten nach i.v.-Gabe von Poly(butyl-2-cyano[3- 14C]acrylat)-Nanopartikeln, die mit Polysorbat 80 beschichtet wurden, und solchen, die noch zusätzlich mit Doxorubicin geladen waren (DOX-14C-PBCA + PS), untersucht. Die Standardformulierung von Doxubicin-Polybutylcyanoacrylat-Nanopartikeln (DOX-NP) wurde durch anionische Polymerisierung von Butylcyanoacrylat in Anwesenheit von DOX hergestellt. Zusätzlich wurden unterschiedliche DOX-NP Formulierungen durch Veränderung der Herstellung produziert. Das therapeutische Potential der Formulierungen wurde in Ratten mit ins Gehirn transplantieren Glioblastom 101/8 untersucht. Neben Polysorbat 80 wurden Poloxamer 188 und Poloxamin 908 als Überzugsmaterial verwendet. Die Resultate ergaben, dass die mit Polysorbat 80 überzogene Standardformulierung am effektivsten war. Die höhere Wirksamkeit von DOX-NP+PS 80 könnte durch die Fähigkeit dieser Träger erklärt werden, den Wirkstoff während eines frühen Stadiums der Tumorentwicklung durch einen Rezeptor-vermittelten Mechanismus, der durch den PS 80-Überzug aktiviert wurde über die intakte Blut-Hirn-Schranke, zu transportieren. Unsere Ergebnisse zeigen auch, dass Poloxamer 188 und Poloxamin 908 den antitumoralen Effekt von DOX-PBCA beträchtlich verbessern. Der anti-tumorale Effekt dieser Formulierungen könnte möglicherweise dem EPR-Effekt zugeschrieben werden. Es ist bekannt, dass die tumorale Arzneistoff-Aufnahme durch den EPR-Effektes für lang-zirkulierende Wirkstoffträger ausgeprägter ist und so mehr Wirkstoff durch die Tumor-geschädigte Blut-Hirn-Schranke gelangt. Unbeschichtete Nanopartikel, Polysorbat 80-beschichtete Nanopartikel oder mit Doxorubicin beladene und mit Polysorbat 80 beschichtete Nanopartikel wurden in gesunden und Tumor-tragenden Ratten injiziert. Diese Nanopartikel-Präparationen zeigten einer unterschiedliche Korpenverteilung in den Ratten. Unbeschichtete Nanopartikel sammelten sich in den RES-Organen an. Mit PS 80 beschichtete NP reduzierten die Aufnahme der NP in Leber und Milz, während sich die Konzentration der NP in der Lunge erhöhte. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Änderung der Oberflächeneigenschaften der NP durch das Tensid, zu einer Interaktion mit unterschiedlichen Opsoninen führt, welches die Aufnahme der NP von verschiedenen phagozitierenden Zellen erleichtert. Hingegen war die Aufnahme der mit DOX beladenen, PS 80-beschichteten Nanopartikel den unbeschichteten Partikel ähnlich. Im Vergleich mit gesunden Ratten und mit Tumor-tragenden Ratten hingegen war die Konzentration der NP im Gehirn von Tumor tragenden Ratten 10 Tage nach der Tumor-implantation signifikant höher. In Anwesenheit des Glioblastoms ist der Transport von NP in das Gehirn das Resultat verschiedener Faktoren: zusätzlich zur Fähigkeit von PS 80-Nanopartikeln, die Blut-Hirn-Schranke zu passieren, extravasieren diese Träger wegen des EPR Effekts über das durch den Tumor undichte Endothelium. Die Konzentration von PS 80 [14C]-PBCA NP war im Glioblastom signifikant höher als mit DOX [14C]-PBCA NP. Dieses Phänomen kann durch die unterschiedliche Mikroumgebung von zerebralem intra-tumoralen und intaktem Gehirngewebe erklärt werde. Insbesondere können sich die positive Ladung der tumoralen Regionen und die positive Ladung der DOX [14C]-PBCA NP negativ beeinflussen. Dennoch waren die Doxorubicin-Konzentration in Glioblastom ausreichend, einen therapeutischen Effekt zu ermöglichen.
The analysis of doxorubicin-loaded poly(butyl cyanoacrylate) nanoparticles in in vitro glioma models
(2005)
The use of doxorubicin for the treatment of glioma tumours would be an important approach in the chemotherapy treatment since doxorubicin is a very effective neoplastic agent. However, one problem faced by the use of doxorubicin for the treatment of brain tumours is the fact that doxorubicin is a substrate of an efflux pump protein, P-glycoprotein (P-gp), which is located on the luminal side of the brain capillary endothelium and in many tumour cells, which acts pumping out of the cell such substrate, and blocking its transport into the cell. A strategy to enhance the doxorubicin delivery into the brain would be the use of nanoparticles. This work showed, that the treatment of doxorubicin bound to poly(butyl cyanoacrylate) nanoparticles decreased the viability of the three glioma cell lines, the GS-9L, the RG-2, and the F-98 cell lines significantly in comparison to doxorubicin in solution, indicating an improvement of the nanoparticles-bound doxorubicin transport into the cells. The modification of the nanoparticles surface with different surfactants may even enhance the delivery of the drug into the cells. Searching for an improvement of the doxorubicin internalization, the nanoparticles surface was modified using polysorbate 80, poloxamer 188 and poloxamine 908 surfactants. The poloxamer 188 and polaxamine 908 surfactant modified nanoparticles did not show a significant enhancement of the doxorubicin internalization. Contrary, the treatment of polysorbate 80 surfactant modified nanoparticles led in some cases to a significant decrease of cancer cell viability. The use of doxorubicin in the three glioma cell lines allowed the measurement of different responses towards doxorubicin treatment. The different responses were due to the entry of various amounts of doxorubicin into the glioma cells, which express the P-glycoprotein in their cellular membrane. A higher level of the P-gp expression correlated with a weaker response towards the doxorubicin treatment. The GS-9L cell line showed a significant higher level of P-gp expression than the F-98, and RG-2 cell lines, and consequently, the GS-9L cell line presented the highest resistance to doxorubicin with the highest viability values after doxorubicin treatment. Due to the fact that the transport of doxorubicin is governed by the activity of the P-gp in the studied glioma cells, the use of poloxamer 185 as a P-gp inhibitor resulted in an enhancement of the uptake as well as of the accumulation of doxorubicin into the cells. The effect of poloxamer 185 on the doxorubicin uptake was significant marked in the case of doxorubicin-resistance cells, as the GS-9L cell line. In some cases, the presence of the nanoparticles formulation showed also an influence on such uptake improvement. The use of a P-gp inhibitor in combination with chemotherapeutic agents leads to encouraging results. Because of the wide spectrum of substances acting as P-gp inhibitors, the exact inhibitory mechanisms remain still unclear. For instance in our results the evaluation of a described P-gp inhibitor, polysorbate 80 did not show an important improvement in the doxorubicin uptake in the P-gp-expressing cell line, GS-9L. On the other hand, the Polysorbate 80-Dox-PBCA nanoparticles formulation decreased in greater extend the viability of the glioma cells than the poloxamer185-Dox-PBCA nanoparticles. Although, the P-gp inhibition was undoubtedly higher in the presence of poloxamer 185, polysorbate 80 showed a main effect on the disruption of the cellular membrane, resulting in an important cellular viability decrease. It seems that poloxamer 185 presents a direct effect on the functionality of the P-gp protein, which would be of great importance in the sensitization of resistant cancer cells. The range of concentration of poloxamer 185 is very important to yield an inhibitory effect on the P-gp-mediated transport mechanism. The accumulation of Rhodamine-123 (Rho-123), a known P-gp substrate, increased in a range of concentration from 0.001 % to 0.01, whereas at 0.1 % poloxamer 185 the accumulation significantly decreased. A maximal Rho-123 accumulation was reached at 0.01 % poloxamer 185.
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.
Kollagen des marinen Schwammes Chondrosia reniformis Nardo: Optimierte großtechnische Herstellung, Analytik und neue pharmazeutisch-technologische Anwendungsmöglichkeiten Großtechnische Isolierung und Untersuchung von Chondrosia-Kollagen Schwämme spielen eine wichtige Rolle im Ökosystem des Meeres und ihr Vorkommen ist begrenzt. Zur schonenden und nachhaltigen Nutzung als Rohstoffquelle müssen im Hinblick auf eine industrielle Nutzung alternative Wege zur Gewinnung von marinem Schwammkollagen entwickelt werden. Ein Beispiel hierfür sind die sogenannten „Marikulturen“ direkt im Meer, aus denen die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Schwämme stammten. Im Gegensatz zu den früher eingesetzten Methoden zur Isolierung des Chondrosia-Kollagens, die Laborcharakter trugen, konnte in der vorliegenden Dissertationsarbeit ein stark vereinfachtes, für die großtechnische Produktion geeignetes Verfahren mit einer hohen Ausbeute (ca. 35%) beschrieben werden. Das Schwammausgangsmaterial wurde über ca. 4 Tage mit Hilfe von Natriumsulfit reduktiv behandelt und die Kollagenfasern (nach einem Filtrationsschritt) in saurem Medium gewonnen. Atomkraftmikroskopische Aufnahmen des isolierten Materials zeigten die kollagentypische Fibrillenquerstreifung, die Unlöslichkeit der Faserbündel in saurem Milieu sowie deren Abbau in die einzelnen Fibrillen in neutraler Pufferlösung. Die von tierischen Kollagenen abgeleitete Bestimmung des Proteingehaltes ergab einen im Vergleich zum kalkulierten Kollagenanteil höheren Gesamtproteingehalt. Dies ist ein Hinweis auf mögliche nichtkollagene Proteinanteile, die an Kollagen assoziiert vorliegen können. Untersuchungen zur Aminosäurenzusammensetzung des isolierten Materials ergaben im Vergleich zu den von Swatschek et al. (2002a) publizierten Ergebnissen einen deutlich höheren Glycin- und einen mehr als doppelt so hohen Hydroxyprolingehalt. Dies kann dahingehend gedeutet werden, dass die neue Isolierungsmethode die bekannten Verunreinigungen des Kollagens mit Glykoproteinen reduziert und zu einem deutlich reineren Kollagenmaterial führt. Mit Hilfe einer neu entwickelten Methode konnten erstmalig Partikel aus Chondrosia-Kollagen hergestellt werden, deren Größe im Nanometerbereich lag. Hierbei handelte es sich um eine kontrollierte alkalische Hydrolyse des isolierten, gefriergetrockneten Kollagens in 1,5 M NaOH. Es konnte eine Partikelausbeute in Höhe von ca. 10% erzielt werden. Atomkraftmikroskopische Aufnahmen zeigten gleichförmige, sphärische Partikel. Die Partikelgrößenuntersuchungen mittels Photonenkorrelationsspektroskopie (nach Resuspension der gefriergetrockneten Schwammkollagennanopartikel (SKNP)) ergaben eine Größe von 168 ± 9,1 nm. Somit sind diese Partikel im Gegensatz zu den bisher aus Chondrosia-Kollagen gewonnenen Mikropartikeln auch für intravenöse Anwendungen geeignet und haben eine größere Trägerkapazität. Die hergestellten Nanopartikel wurden adsorptiv mit dem Wirkstoff 17?-Estradiol-Hemihydrat beladen. In Abhängigkeit von der eingesetzten Stoffkonzentration (1,25 bis 5,0 mg/ml) konnten Beladungsraten von bis zu 13,1% erzielt werden. Die Stabilitätsprüfung von wässrigen Partikelsuspensionen ergab nach 180 Tagen Einlagerung eine auf 7 bis 8% reduzierte Beladungsrate. Nach Inkorporation der beladenen Partikel in eine Hydrogelgrundlage wurde die transdermale Bioverfügbarkeit des Arzneistoffs im Rahmen der Hormonersatztherapie bei postmenopausalen Frauen untersucht. SKNP-Gele mit einer Estradiolkonzentration in Höhe von 0,06% wurden mit gleichkonzentrierten partikelfreien Gelen verglichen. In den Speichelproben der Patientinnen konnten nach täglicher einmaliger Applikation des Nanopartikelgels nach 28 Tagen signifikant höhere Estradiolkonzentrationen gemessen werden. Die ermittelten Flächen unter den Konzentrations-Zeit-Kurven (AUC) über 24 h nach der einmaligen topischen Applikation von 0,75 mg Estradiol waren um das 2,3 bis 3,4-fache höher als die entsprechenden AUC-Werte des Vergleichsgels. 24 h nach Auftragen des Gels lagen die Estradiolspiegel des Vergleichsgels in etwa wieder auf Höhe der Basalwerte, wohingegen die Estradiolwerte nach Applikation des SKNP-Gels zum gleichen Messzeitpunkt mindestens doppelt so hoch waren. Somit konnten bei Anwendung der SKNP-Zubereitung eine deutlich erhöhte transdermale Estradiolabsorption und eine verlängerte Arzneistoffwirkung beobachtet werden. Das nanopartikuläre Trägersystem aus Chondrosia-Kollagen stellt damit eine vielversprechende Möglichkeit zur Erhöhung der transdermalen Bioverfügbarkeit von lipophilen, schlecht resorbierbaren Wirkstoffen dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Formulierung für einen magensaftresistenten Überzug mit Chondrosia-Kollagen als Filmbildner entwickelt. Die Sprühsuspension bestand aus 15% gefriergetrocknetem Kollagen, dem Weichmacher Triethylcitrat (1,5%), dem Trennmittel Talkum (7,5%) und Wasser. Der Coating-Prozess wurde in einem Dragierkessel mit Placebotabletten durchgeführt. In regelmäßigen Abständen wurden Tabletten-Stichproben entnommen, um die erforderliche Kollagenschichtdicke für eine Magensaftresistenz zu bestimmen. Tabletten mit einer Kollagenauftragsmenge von 12,9 mg/cm2 entsprachen der Prüfung auf Magensaftresistenz gemäß Europäischem Arzneibuch. Die Widerstandsdauer in 0,1 M Salzsäure betrug mehr als 2 h und der Zerfall in Phosphatpufferlösung pH 6,8 höchstens 10 min. Rasterelektronenmikrosko-pische Aufnahmen bei unterschiedlichen Vergrößerungen zeigten eine gleichmäßige und glatte beschichtete Oberfläche. Das Auftragsverfahren im Dragierkessel erwies sich als reproduzierbar. Die mechanischen Eigenschaften der überzogenen Tabletten waren zufriedenstellend und die Magensaftresistenz wurde durch eine 6-monatige Lagerung nicht beeinträchtigt. Als Naturprodukt eignet sich Schwammkollagen als Überzugsmaterial für Nichtarzneimittel. Der schnelle Zerfall des Kollagenüberzugs in neutraler Pufferlösung stellt einen Vorteil gegenüber den häufig verwendeten Schellacküberzügen dar, die sich im Darmtrakt zu langsam auflösen und daher nicht selten mit synthetischen Polymeren kombiniert werden.
Die Entwicklung von Wirkstoffträgern für Antisense-Oligdesoxyonukleotide auf der Basis von Protamin-Nanopartikeln stellt einen interessanten Ansatz für antivirale Strategien dar. So konnte gezeigt werden, dass bereits ab einem 1,5-fachen Massenüberschuss an Protamin eine spontane Komplexbildung mit Antisense-Wirkstoffen stattfindet, die einen Größenbereich von etwa 200 nm aufweisen und durch eine Oberflächenladung von ca. + 20 mV charakterisiert sind. Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaften besitzen diese Nanopartikel nahezu ideale Eigenschaften, die intrazelluläre Verfügbarkeit von Antisense-Wirkstoffen entscheidend zu verbessern. Eine sehr gute zelluläre Aufnahme von Protamin/Antisense-Nanopartikeln konnte entsprechend in primären humanen Makrophagen als auch in lymphozytären T-Zellen gezeigt werden. Die Anwendung dieser Wirkstoffträger in den beschriebenen Zellen erwies sich dabei als sehr gut verträglich und zeigte keine toxischen Wirkungen in insgesamt drei unterschiedlichen Testverfahren zur Bestimmung der Zelltoxizität. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Protamin/Antisense-Nanopartikel mit unmodifizierten Antisense-Oligodesoxynukleotiden ein sehr günstiges intrazelluläres Auflösungsverhalten besitzen, was zu einer kontinuierlichen Freisetzung des inkorporierten Antisense- Wirkstoffs führte. Dabei wurde deutlich, dass nach spätestens 72 Stunden ein vollständiger Zerfall des Nanopartikels stattfand und der Wirkstoff sich gleichmäßig in intrazellulären Kompartimenten verteilte. Im Gegensatz dazu stellen Protamin/Antisense-Nanopartikel mit modifizierten Phosphorothioat-Wirkstoffen ein äußerst stabiles System dar, das zu keiner merklichen intrazellulären Wirkstofffreisetzung selbst nach 72 Stunden führte. Es konnte gezeigt werden, dass Protamin/AS-ODN-Nanopartikel die Expression eines von einem lentiviralen Vektor exprimierten Reportergens konzentrationsabhängig in primären humanen Makrophagen inhibieren konnte. Die antivirale Wirksamkeit dieser Wirkstoffträger konnte auch gegen das HIV-1-spezifische Transaktivatorprotein Tat in transient transfizierten Zielzellen der HIV-1-Infektion spezifisch demonstriert werden. Hier wurde eine selektive Inhibition der Tat-vermittelten Transaktivierung von 35 % bei einer Konzentration von 2 MikroM in Jurkat-Zellen nachgewiesen. Auch in primären Makrophagen, die mit einem HIV-1-Wildtypisolat infiziert wurden, führte die Anwendung von Protamin/AS-ODN-Nanopartikeln mit spezifischen Sequenzen gegen ein HIV-1-Gen zu einer deutliche Reduktion der Virusausbreitung in der Kultur. Bei einer wiederholten Behandlung von HIV-1-infizierten Makrophagen mit Protamin/AS-ODN-Nanopartikel in einer Konzentration von 2 MikroM zeigten nur einige wenige Zellen eine Infektion mit dem Virus, während sich in unbehandelten Zellen eine komplett durchinfizierte Kultur manifestiert hatte. Entsprechend der ungünstigen Bioverfügbarkeit von AS-PTO-Wirkstoffen nach intrazellulärem Transport in Form von Protamin-Nanopartikeln konnte für diese Formulierungen keine biologische Wirkung in Zellkultursystemen nachgewiesen werden. Die Inkorporation von destabilisierenden Zusätzen in die Nanopartikelmatrix bietet hier Möglichkeiten, die intrazelluläre Dekomplexierung dieser Wirkstoffträger günstig zu beeinflussen. Als Neuentwicklung konnte ein kolloidales Trägersystem für siRNA-Wirkstoffe auf der Basis von Protamin-Nanopartikeln entwickelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass Protaminbase als auch Protaminsulfat siRNA-Wirkstoffe ab einem 2,5-fachen Massenüberschuss komplexieren. Protamin basierte Nanopartikel für siRNA-Wirkstoffe waren durch ein sehr günstiges Zellaufnahmeverhalten und fehlende zytotoxische Wirkung in primären humanen Makrophagen gekennzeichnet. Trotz dieser idealen Ausgangsbedingungen zeigten biologische Wirksamkeitstestungen sowohl gegen das endogene Protein Lamin A/C als auch virale Hemmversuche in HIV-1- infizierten primären Makrophagen nur marginale Effekte. Eine weitere Optimierung der Nanopartikelzusammensetzung und Untersuchungen zur intrazellulären Stabilität sind nötig, um die biologische Aktivität dieser Formulierungen entscheidend zu verbessern. Oberflächenmodifizierte Nanopartikel auf der Basis von Gelatine erwiesen sich in den durchgeführten Experimente als besonders vielversprechend. Hier konnte gezeigt werden, dass ein spezifisches Targeting von T-Zellen mit CD3-Gelatine-Nanopartikel realisiert werden kann, die auf ihrer Oberfläche kovalent einen anti-CD3-Antikörper tragen, der gegen die T-Zell spezifische Zeta-Kette des T-Zell-Rezeptor-Komplexes gerichtet ist. Untersuchungen mit konfokaler Mikroskopie und Durchflusszytometrie zeigten, dass dabei die Zellaufnahme dieser Wirkstoffträger von der Expression des durch den Antikörper erkannten Zielantigens auf der Oberfläche der Zielzellen ist. In Zellen mit besonders starker Expression des CD3-Epitops wurden Gelatine-Nanopartikel mit oberflächengebundenem anti-CD3-Antikörper zu einem sehr bedeutendem Ausmaß selektiv aufgenommen. In Kompetitionsexperimenten mit freiem anti-CD3-Antikörper konnte diese Aufnahme deutlich reduziert werden, was für die selektive Bindung und Internalisierung der CD3-Gelatine- Nanopartikel über den oberflächengebundenen Antikörper schließen läßt. Durch diese Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass CD3-Gelatine-Nanopartikel das Potential besitzen, als selektives Wirkstoffträgersystem für T-Zellen eingesetzt zu werden.
Transdermale Therapeutische Systeme (TTS) sind Arzneiformen, die über einen längeren Zeitraum eine kontrollierte Arzneistoffabgabe durch die Haut ermöglichen. Um ausreichende Permeationsraten zu erreichen, sind häufig hohe Arzneistoffkonzentrationen im Reservoir notwendig. In TTS, deren Arzneistoffkonzentration über der Sättigungskonzentration der Matrix liegt, neigen die Wirkstoffe dazu auszukristallisieren. Die Kristallisation stellt ein wichtiges Stabilitätsproblem bei der Entwicklung solcher Systeme dar, da die Bioverfügbarkeit negativ beeinflusst werden kann. Diese Studie zeigt, dass Kristallisationsprozesse in TTS mithilfe der isothermen Wärmeleitungsmikrokalorimetrie über eine Messzeit von 7 Tagen mit hoher Empfindlichkeit erfasst werden können, denn die Kristallisation stellt einen exothermen Prozess dar. Die mikrokalorimetrische Messkurve zeigte sowohl bei Placebo- als auch bei wirkstoffhaltigen Zubereitungen einen starken initialen, exothermen Wärmefluss, der über einige Tage langsam abfiel bis ein konstantes Wärmeflussplateau erreicht wurde. Der hohe initiale Wärmefluss entstand durch das Ausstanzen der Laminate und die damit verbundene mechanische Beanspruchung. Die Kristallisation wurde von den Stanzrändern ausgehend initiiert und war damit an den Schnittkanten auch stärker ausgeprägt als im Inneren der Laminate. An den Schnittstellen des TTS waren mikroskopisch wesentlich mehr Kristalle nachweisbar als in den nicht mechanisch beanspruchten Bereichen. Die messbare Arzneistoff-immanente Wärmemenge stieg mit erhöhtem Arzneistoffgehalt an, war aber über 7 Tage bei den E2-haltigen und NEA-haltigen TTS-Laminaten nicht proportional zum Arzneistoffgehalt, da die Kristallisation nach dieser Messzeit nicht beendet war. Dieses Ergebnis konnte durch die mit steigender Übersättigung beschleunigte Kristallisation erklärt werden, die für alle untersuchten Messreihen beobachtet wurde. Je höher die Arzneistoffkonzentration in den Laminaten war, desto stärker war auch die Triebkraft für Kristallisationsvorgänge. Das Kristallisationsende war rascher erreicht. War die Kristallisationsgeschwindigkeit dagegen über einen gewissen Konzentrationsbereich konstant oder war der Kristallisationsprozess während der Messzeit bereits beendet, so stieg die Arzneistoff-immanente Wärmemenge proportional zur erhöhten Arzneistoffkonzentration. Eine konstante Kristallisationsgeschwindigkeit wurde für NEA im Bereich von 4 bis 10 % beobachtet. Bei höherer Übersättigung verlief der Kristallisationsprozess allerdings ebenfalls beschleunigt. Die Kristallisationsgeschwindigkeitskonstante sowie der Avrami-Exponent als Parameter für den Kristallisationsmechanismus konnten anhand der mikrokalorimetrischen Daten berechnet werden, ebenso wie die Kristallisationsenthalpien in Höhe von -23,3 ± 1,2 kJ/mol für E2-hemihydrat, -22,8 ± 2,6 kJ/mol für NEA sowie -7,9 ± 0,95 kJ/mol für die 1:3- Mischung. Alle Kristallisationsvorgänge waren durch die hohe Viskosität der Matrix diffusionskontrolliert und zeigten ein eindimensionales Kristallwachstum. Bei der Mikrokalorimetrie handelt sich um eine unspezifische Methode, bei der der Ursprung der Wärmeeffekte durch zusätzliche Methoden aufgeklärt werden muss. Als weitere Untersuchungsmethoden bei der Kristallisation in transdermalen Systemen boten sich die Polarisationsmikroskopie und die Pulverröntgenbeugung an. Die DSC war ungeeignet. Im Vergleich zur Mikrokalorimetrie war die polarisationsmikroskopische Untersuchung von Kristallisationsprozessen jedoch wesentlich zeitaufwendiger, wobei sich die Empfindlichkeit als höher erwiesen hat. Die Mikrokalorimetrie detektierte im Vergleich zur Mikroskopie erst eine Kristallmenge von ungefähr 0,5 % zuverlässig. Die Pulverröntgenbeugung stellte im Vergleich zu Mikroskopie und Mikrokalorimetrie eine weniger empfindliche analytische Methode für die Erkennung von kristallinem organischen Material in einer polymeren amorphen Matrix dar. Während kleine Kristalle in den Polymerfilmen bereits mit bloßem Auge zu sehen waren, traten zum Teil keine Reflexe im Pulverdiagramm auf. Die Detektionsgrenze lag im Vergleich zur Mikroskopie bei ungefähr 1 bis 1,5 % Kristallen in der polymeren Umgebung. Dagegen ist die Pulverröntgenbeugung für verschiedene Kristalltypen sehr spezifisch. Sie erlaubt die Aufklärung von Strukturen sowie eine quantitative Auswertung der Kristallmengen in Mischungen, sofern die Kristalltypen bekannt sind. Mithilfe der Polarisationsmikroskopie und Pulverröntgenbeugung wurden die Kristallstrukturen der Arzneistoffe in der polymeren Matrix der TTS untersucht. Für Systeme, die nur einen der Arzneistoffe enthielten, wurde eine unveränderte Kristallisation in der Matrix in Form von E2-hemihydrat bzw. NEA beobachtet. Die Kombination von E2-hemihydrat und NEA veränderte die Kristallstruktur der gebildeten Kristalle im Vergleich zu den reinen Arzneistoffen und führte zur Ausbildung einer neuen Kristallstruktur in der Matrix, die sich in den Reflexlagen auch von der aus Ethylacetat kristallisierten unterschied. Sogar geringe E2-Konzentrationen führten zu einer deutlichen Veränderung der Kristallform und des Röntgenbeugungsmusters der NEA-Kristalle. Außerdem wurde der Kristallisationsprozess durch die Kombination der Hormone stark beschleunigt. Bei der neuen Kristallform handelte es sich um eine thermodynamisch weniger stabile Struktur, da die Kristallisationsenthalpie geringer war, allerdings war die Kristallisation kinetisch bevorzugt. Trotz der Unterschiede in der Empfindlichkeit der Methoden, die zur Bestimmung der Sättigungslöslichkeit angewendet wurden, stehen die erhaltenen Ergebnisse entsprechend den Detektionsgrenzen in guter Übereinstimmung, wobei es sich bei den ermittelten Werten von 1,5 % für E2-hemihydrat und 4 % für NEA unter Umgebungsbedingungen um die Sättigungslöslichkeit unter Kristallisationsbedingungen und nicht um die wahre Sättigungslöslichkeit handelt. Hohe Feuchtigkeit in der polymeren Matrix fördert die E2-hemihydrat- sowie NEA-Kristallisation durch die geringe Wasserlöslichkeit der Steroidhormone. Die Trocknungsbedingungen konnten die physikalische Stabilität der Pflaster stark beeinflussen, was eventuell auch durch die Ausbildung einer besser löslichen, wasserfreien Kristallform des Estradiols begründet sein könnte. Die Vorbehandlung der Laminate bei 80°C scheint eine gute Möglichkeit zu sein, die TTS vor Kristallisationsprozessen zu schützen, wobei bei der Lagerdauer ein Kompromiss zwischen der physikalischen Stabilisierung und der chemischen Zersetzung gefunden werden muss. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass es sich bei der Mikrokalorimetrie um eine zeitsparende und effektive Methode für die Beurteilung einer Vorbehandlung bei 80°C sowie des Einflusses von verschiedenen Hilfsstoffen auf den Kristallisationsprozess der Arzneistoffe im TTS handelt. Die Mikrokalorimetrie ermöglichte dabei innerhalb von 7 Tagen die Klassifikation verschiedener Zusatzstoffe nach deren Effizienz, die Kristallisation in den Pflastern zu initiieren. Dagegen sind häufig viele Monate nötig, um ähnlich zuverlässige Ergebnisse mit der Polarisationsmikroskopie bzw. der Pulverröntgenbeugung zu erhalten. Die Mikrokalorimetrie stellt demnach eine interessante Methode für ein Hilfsstoffscreening und die Optimierung von Rezepturen dar.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Transport von PBCA-Nanopartikeln über die Blut-Hirn-Schranke und deren Einsatz als Arzneiform bei verschiedenen Erkrankungen des ZNS. Die Untersuchung des Einfluß von Nanopartikeln auf die Barriere-Eigenschaften postkonfluenter Endothelzellen und des Transportmechanismus von Nanopartikeln über einen Endothelzelllayer erfolgte in einem komplexen in vitro-BHS-Zellkulturmodell. Der Ausgangspunkt für diese Untersuchung war die Erkenntnis, daß PS80-überzogene PBCA-Nanopartikel von Endothelzellen in vitro aufgenommen werden und das nach Applikation von Doxorubicin-beladenen Nanopartikeln in Ratten erhöhte Wirkstoffspiegel im ZNS festgestellt werden konnten. Als in vitro-Zellkulturmodell der BHS wurden primäre bovine Endothelzellen verwendet. An diesen Modellen wurden die Transportmechanismen für PBCA-Nanopartikel untersucht. Dabei zeigte sich, daß PS80-überzogene PBCA-Nanopartikel bevorzugt über einen konfluenten Endothelzellayer transportiert wurden. Die Zugabe verschiedener Nanopartikelzubereitungen zu postkonfluenten Endothelzellmonolayern führte zu einer deutlichen und konzentrationsabhängigen Erhöhung der Permeabilität für Ionen und Makromoleküle. Der zugrundeliegende Aufnahme- bzw. Transportmechanismus ist jedoch noch nicht aufgeklärt. Die Effizienz der wirkstoffbeladenen Zubereitungen wurde in einem intrakranialen Gehirntumor-Modellsystem untersucht. Dabei zeigten Doxorubicin-beladene PBCA-Nanopartikel mit PS 80 die längste und ausgeprägteste antitumorale Wirkung. Der Effekt, der mit nicht-überzogenen Partikeln und mit Doxorubicin-Lösung erzielt wurde, war dagegen nicht so ausgeprägt. Die Überlebenszeit der Tiere liess sich durch die Chemotherapie deutlich verlängern. Dieses Ergebnis ist überaus bemerkenswert, da es in einem solchem Modell mit einer vergleichbaren Arzneiform noch nicht erreicht werden konnte. Es zeigte sich außerdem keine Neurotoxizität der überzogenen partikulären Zubereitungen. Auch dieses Ergebnis ist wichtig, da wiederholt von einer neurotoxischen Wirkung des Wirkstoffes Doxorubicin berichtet worden war. In einem murinen Trypanosomen-Modellsystem liess sich mit den Wirkstoffen CGP 40215, Trybizin und Diminazen der Erfolg, welcher im Gehirntumormodell durch die Bindung von Doxorubicin an Nanopartikel erzielt wurde, nicht wiederholen. Die partikulären Zubereitungen waren gegen die Trypanosomen nicht wirksamer als die reinen Substanzlösungen. Es liess sich keine Lebensverlängerung der Tiere erreichen. Ebenso konnte kein Tier geheilt werden. Das ist wahrscheinlich auf die mangelnde Bindung des Wirkstoffes an die Nanopartikelzubereitungen zurückzuführen. Ebenso kann die geringe Aktivität der Erreger im ZNS und die damit verbundene mangelnde Wirksamkeit der Enzyminhibitoren eine Rolle spielen. Zusammenfassend lässt sich sagen, daß P80-überzogene PBCANanopartikel über die BHS transportiert werden, und für Gehirntumore eine neue, innovative Arzneiform darstellen, welche den herkömmlichen Zubereitungen in Hinblick auf Lebensverlängerung im Tierversuch überlegen ist. Bei konsequenter Weiterentwicklung ist ein Einsatz dieser modernen Arzneiform im Menschen denkbar und möglich.
Ziel dieser Arbeit war es, die Zytotoxizität von Treosulfan und Busulfan auf Leukämiezellen von pädiatrischen Patienten mit Akuten Leukämien zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden in vitro und erste in vivo Untersuchungen durchgeführt: 1. In vitro Untersuchungen Zuerst wurde eine durchflusszytometrische Methode optimiert zum Nachweis der Zytotoxizität von Treosulfan und Busulfan auf maligne Zellen pädiatrischer Patienten mit Akuten Leukämien. Mit diesem durchflusszytometrischen Assay war es möglich, die Zytotoxizität auf maligne von der auf nicht maligne Zellen zu unterscheiden. Dies war unerlässlich, da in den frisch isolierten Leukämiezellen der Patienten bis zu 55% normale Lymphozyten enthalten waren. Darüber hinaus erlaubte diese Methode die simultane Bestimmung der Zell-Apoptose in jeder Probe. An Leukämie-Zelllinien wurde dieser multiparametrische Assay anschließend mit dem MTT-Assay verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die Bestimmung von Zytotoxizitäten mit beiden Methoden an den Zelllinien Molt 4/8 und H9 gut korrelierte (r≥0,95). Für das Arbeiten mit Patientenmaterial wurde ausschließlich die durchflusszytometrische Methode angewendet, da in den Proben der Patienten die Differenzierung zwischen leukemischen Zellen und normalen Lymphozyten essentiell war. In den Leukämie-Zelllinien Molt4/8, H9 und K562 zeigte sich, dass Treosulfan eine stärkere Zytotoxizität zeigte als Busulfan. In die Untersuchungen frischer Leukämiezellen pädiatrischer Patienten mit Akuten Leukämien konnten 24 Proben unterschiedlicher Leukämien (cALL, reife B-ALL, reife TALL, AML) und unterschiedlicher Erkrankungszeitpunkte (bei Diagnose oder bei Rezidiv) eingeschlossen werden. In diesen Proben zeigte Treosulfan eine deutlich bessere Wirkung als Busulfan. Es wurde trotz des kleinen Patientenkollektivs deutlich, dass die T-ALL gegenüber der cALL sensitiver auf Treosulfan reagiert. Außerdem war die Zytotoxizität von Treosulfan und Busulfan gegenüber der T-ALL signifikant höher als gegenüber c-ALL (Treosulfan: p=0,02, Busulfan: p=0,03). Die IC50-Werte stiegen vom Zeitpunkt der Diagnose (Median: Treosulfan: 11,45 μM, Busulfan: 96,45 μM) über die Progression (Median: Treosulfan: 45,95 μM, Busulfan: 253,75 μM) bis zum Rezidiv (Median: Treosulfan: 153,15 μM, Busulfan: 223,3 μM) hin an, und zwar um das 8-fache bei Treosulfan und das 2,5-fache bei Busulfan. Der Unterschied der Zytotoxizität von Treosulfan auf Leukämieproben zum Zeitpunkt der Diagnose gegenüber dem Rezidiv war statistisch signifikant (p=0,02). Für Busulfan ergab sich für diese Untersuchungszeitpunkte keinen signifikanten Unterschied (p=0,13). Vergleichend zu den Ergebnissen an frisch isolierten Leukämiezellen wurde die Wirkung von Treosulfan und Busulfan auf normale Lymphozytensubpopulationen und Stammzellen untersucht. Auch hier zeigte Treosulfan eine stärkere Zytotoxizität im Vergleich zu Busulfan. Insgesamt reagierten normale Lymphozyten sensitiver auf die Alkylanzien im Vergleich zu den Leukämiezellen (Mediane IC50-Werte für Treosulfan und Busulfan auf Lymphozyten: 12,3 μM und 89,9 μM, auf Leukämieproben: 30,6 μM und 133 μM mit p=0,03 und p=0,02). In einem weiteren Experiment sollte die Interaktion von Treosulfan und Busulfan mit Fludarabin untersucht werden. Fludarabin ist ein Purin-Analogon, das in der Pädiatrie in Kombination mit Alkylanzien zur Chemo-Konditionierung eingesetzt wird. Bei der Inkubation von Fludarabin mit Treosulfan-Konzentration größer 1 μM war ein deutlicher Synergismus zu verzeichnen. Die Kombination von Fludarabin mit Busulfan ergab Antagonismus. 2. In vivo Untersuchungen Es wurde die zelluläre Immunrekonstitution bei pädiatrischen Patienten mit AML (n=9) nach allogener Knochenmarktransplantation überwacht. Ein Patient wurde mit Treosulfan konditioniert (n=1), die anderen Patienten (n=8) erhielten Busulfan zur Konditionierung. Die Rekonstitution der Leukozyten, B-Zellen, NK-Zellen und T-Helferzellen verlief in beiden Gruppen ähnlich. Ein signifikanter Unnterschied konnte für die Rekonstitution der CD3+CD8+ zytotoxischen T-Zellen gezeigt werden, die bei dem Patienten, der mit Treosulfan konditioniert wurde, signifikant niedriger war im Vergleich zur Busulfangruppe. Da bei dem Patienten, der Treosulfan erhielt, die CRP-Werte über einen längeren Zeitraum erhöht waren und Infektionen die Rekonstitution von zytotoxischen T-Zellen maßgeblich beeinflussen, bietet dies eine mögliche Erklärung für diesen Unterschied. Aussagen können jedoch nur mit einem größeren Patientenkollektiv getroffen werden.
Natural killer (NK) cells are white blood lymphocytes of the innate immune system that have diverse biological functions, including recognition and destruction of certain microbial infections and neoplasms [1]. NK cells comprise ~ 10% of all circulating lymphocytes and are also found in peripheral tissues including the liver, peritoneal cavity and placenta. Resting NK cells circulate in the blood, but, following activation by cytokines, they are capable of extravasation and infiltration into most tissues that contain pathogen-infected or malignant cells [2-5]. NK cells discriminate between normal and abnormal cells (infected or transformed) through engagement and dynamic integration of multiple signaling pathways, which are initiated by germline-encoded receptors [6-8]. Healthy cells are protected from NK cell-mediated lysis by expression of major histocompatibility complex (MHC) class I ligands for NK cell inhibitory receptors [6, 9]. The MHC is a group of highly polymorphic glycoproteins that are expressed by every nucleated cell of vertebrates, and that are encoded by the MHC gene cluster. The human MHC molecules are termed human leucocyte antigen (HLA)-A, B and C molecules. Every NK cell expresses at least one inhibitory receptor that recognizes a self-MHC class I molecule. So, normal cells that express MHC class I molecules are protected from self-NK cells, but transformed or infected cells that have down-regulated MHC class I expression are attacked by NK cells [10]. There are 2 distinct subsets of human NK cells identified mainly by cell surface density of CD56. The majority (approximately 90%) of human NK cells are CD56dimCD16bright and express high levels of FcγRIII (CD16), whereas a minority (approximately 10%) are CD56brightCD16dim/- [11]. Resting CD56dim NK cells are more cytotoxic against NK-sensitive targets than CD56bright NK cells [12]. However, after activation with interleukin (IL)-2 or IL-12, CD56bright cells exhibit similar or enhanced cytotoxicity against NK targets compared to CD56dim cells [12-14]. The functions of NK cells are regulated by a balance of signals (Fig. 1.1). These are transmitted by inhibitory receptors, which bind MHC class I molecules, and activating receptors, which bind ligands on tumors and virus-infected cells [15]. These receptors are completely encoded in the genome, rather than being generated by somatic recombinations, like T- and B-cell receptors.
Many highly active antitumour agents are currently not employable for the systemic chemotherapy of brain tumours since their entrance into the brain is blocked by the BBB. Obviously, the development of a strategy allowing effective delivery of these agents across the BBB would enormously extend the potential of the systemic chemotherapy. Chemotherapy of rat glioblastoma using nanoparticle-bound doxorubicin Doxorubicin bound to polysorbate-coated nanoparticles had been previously shown to significantly enhance survival in the orthotopic rat 101/8 glioblastoma model. The objective of this study was to investigate the therapeutic effects of this formulation by morphometric, histological and immunohistological methods. The 101/8 glioblastoma was implanted intracranially into the male Wistar rats. The animals were randomly divided into 3 groups; one group served as untreated control (n = 20). The second group received doxorubicin in solution (Dox-sol, n = 18), and the third group received doxorubicin bound to PBCA nanoparticles coated with PS 80 (Dox-NP + PS 80, n = 18). The treatment regimen was 3 × 1.5 mg/kg on days 2, 5, and 8 after tumor implantation. The formulations were injected into the tail vein. The untreated control animals were sacrificed on days 6, 8, 10, 12, and 14 after the implantation. The animals that had received chemotherapy were sacrificed on day 10, 14 and 18 after the implantation. The brains were investigated by morphometrical, histochemical, and immunohistochemical methods such as the measurement of the tumor size, proliferation of tumor cells, vessel density, expression of glial fibrillary acidic protein (GFAP), expression of vascular endothelial growth factor (VEGF), incidence and dimension of necrosis, and microvascular proliferation. Tumours showed signs of malignancy including invasion to brain tissue and brisk mitotic activity. The tumor proliferation remained stable at high levels throughout the host survival time. Overall, the tumor showed a reproducible growth pattern and temporal development that is comparable to human glioblastoma. Furthermore, the 101/8 glioblastoma had infiltrated diffusely the surrounding host brain at the edge of the solid tumor mass showed no signs of encapsulation. Thus the 101/8 glioblastoma fulfills the most criteria for an adequate glioma model and can be qualified as a reliable model. ...
