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Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) verhindert mit ihren engen Zell-Zellverbindungen, selektiven Transportern und einem effizienten Abwehrsystem das Eindringen vieler Stoffe in das Gehirn. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Nanopartikel aus humanem Serumalbumin (HSA-NP) zum Arzneistofftransport in das Gehirn entwickelt. Als Ligand zur Überwindung der BHS wurde Apolipoprotein E (ApoE), ein Ligand des LDL-Rezeptors (LDL-R), der sich auf der Membranoberfläche von Hirnendothelzellen befindet, eingesetzt. Kurze ApoE wurde über Avidin/Biotin-Komplexe oder kovalent an die NP-Oberfläche gebunden. Bei der Avidin/Biotin-Methode wurde über einen heterobifunktionalen Crosslinker (Polyethylenglykol (PEG)-Spacer) die Avidinkomponente an die NP Oberfläche gebunden. Nach erfolgter Bindung der Avidinkomponente wurde die Funktionsfähigkeit des gebundenen NeutrAvidin® untersucht. Dabei wurde in der Suspension der NeutrAvidin®-modifizierten NP das Verhältnis von Biotinbindungsstellen zu Avidinkomponente bestimmt. Das ermittelte Verhältnis in der NeutrAvidin®-modifizierten NP?Suspension lag bei 2,6 : 1. Um ApoE an NeutrAvidin®-modifizierte NP zu binden, wurde das ApoE biotinyliert und anschließend an die NeutrAvidin®-NP gekoppelt. Dabei wurden ca. 3800 ApoE-Molekülen pro NP gebunden. Bei der kovalenten Bindung wurden verschiedene Apolipoproteine mittels PEG-Spacer direkt an HSA-NP gebunden. Hierbei wurden 19 µg ApoE/mg NP gebunden. In Untersuchungen am konfokalen Mikroskop (CLSM) zeigte sich eine moderate Anlagerung von ApoE-PEG-NP an LDL-R-exprimierende Hep G2- und ß.End3-Zellen, die auf eine Aufnahme der ApoE-PEG-NP über den LDL-R hindeuten könnte. Loperamid wurde als Modellwirkstoff in Tierversuchen verwendet. Loperamid bindet im Gehirn Opioidrezeptoren und wirkt analgetisch, überwindet jedoch nicht selbstständig die BHS. Der analgetische Effekt von Loperamid-beladenen ApoE-modifizierten NP (7 mg/kg bzw. 4 mg/kg Loperamid) wurde in Mäusen nach i.v.-Applikation mittels Tail-Flick-Test ermittelt. Loperamid-beladene ApoE-NP verursachten konzentrationsabhängig einen analgetischen Effekt bei den untersuchten Mäusen. Die Kontrollzubereitungen (Loperamid-beladene nicht-ApoE-modifizierte NP, Loperamid-Lösung, unbeladene ApoE-NP) zeigten keine analgetische Wirkung. Mit ApoE modifizierte NP die keine Bindung an den LDL-R zeigen, vermittelten keinen analgetischen Effekt im Tierversuch.
Um das Potential von modernen Arzneistoffe wie Nukleinsäuren und ihren Analoga ausnutzen zu können und sie an ihren Wirkort ins Zellinnere bringen können, benötigt man Transportvehikel, da sie selbst nur über eine schlechte Zellmembrangängigkeit verfügen. Bei der Entwicklung zukunftsträchtiger Arzneiformen spielen biokompatible, kolloidale Trägersysteme, die zielgerichtet bestimmte Gewebe / Zellen ansteuern, eine große Rolle. Ihre Aufgabe ist es dem Wirkstoff zur Überwindung von Zellmembranen zu verhelfen, wobei gleichzeitig ein Schutz vor enzymatischem Abbau gewährleistet wird. Zur Erhöhung der Zell- und Gewebeselektivität können die Träger dann mit diversen Targeting-Liganden bestückt werden. Als Trägerstoff können verschiedenste synthetische und natürliche Polymere eingesetzt werden. Zum Einsatz kamen hier die beiden natürlichen Proteine Gelatine und Albumin, die untoxisch, biokompatibel und bioabbaubar sind. Die partikulären Strukturen wurden durch Lösungsmittelzusatz zu einer wässrigen Proteinlösung in einem Desolvatationsprozess gewonnen. Der Nukleinsäureeinschluss erfolgte adsorptiv und kovalent in die Polymermatrix oder kovalent an die Oberfläche. Als Drug-Targeting-Ligand wurden aufgrund ihrer großen Spezifität, Selektivität und Variabilität Antikörper eingesetzt. Durch chemische Oberflächenmodifikationen wurde die Voraussetzung geschaffen, biotinylierte Strukturen kovalent an die Nanopartikeloberfläche zu binden, so dass ein spezifisches Drug-Targeting-System entstand. Die kolloidalen, proteinbasierten Nanopartikel wurden hinsichtlich ihrer verschiedenen physikalischen Parameter analysiert. Neben den Parametern wie Größe, Zetapotential, Morphologie und Stabilität wurde auch die Zelltoxizität untersucht. Das Antikörper-beladene Trägersystem wurde auf seine Funktionalität und Effizienz in Zellkultur getestet. Albumin Nanopartikel: Zur Schaffung eines universell einsetzbaren Trägersystems wurden auf der Nanopartikeloberfläche reaktive SH-Gruppen eingeführt. Der Einsatz eines bifunktionalen Crosslinkers schuf die Möglichkeit mit Avidin ein zweites Protein, welches einen stabilen Komplex mit Biotin bildet an die Oberfläche zu binden. Man verfügt jetzt über ein 200 – 350 nm große, negativ geladene und untoxische Trägerpartikel, die mit vielen unterschiedlichen biotinylierten Liganden verbunden werden können. Sie verfügen weiterhin über eine ausreichende Stabilität im Zellkulturmedium. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Oligonukleotid-Beladung der Nanopartikel wurde auf drei verschiedenen Bindungswegen vollzogen. Die Wirkstoffeinbindung erfolgte zum Ersten adsorptiv über elektrostatische Wechselwirkungen in die Trägermatrix beim partikelformenden Prozess selbst. Die folgende Einführung von Thiolgruppen und die Kopplung mit Avidin über einen bifunktionalen Crosslinker wurde erfolgreich umgesetzt. Zweitens wurde eine kovalente Wirkstoffverknüpfung wieder über einen bifunktionalen Crosslinker entwickelt. Dafür wurden durch die Umsetzung mit einem Spacer die freien Aminogruppen des Trägermaterials aktiviert. Das verwendete Oligonukleotid wurde mit einer Thiolgruppe versehen und so an das aktivierte HSA gebunden. Das gebildete lösliche Konjugat wurde wieder durch Desolvatation zu Nanopartikeln umgesetzt. Als dritte Möglichkeit erfolgte eine oberflächliche Komplexbildung über das Avidin-System mit biotinylierten Phosphorothioaten. Gelatine-Nanopartikel: Für die Herstellung der Nanopartikel wurde ein doppeltes Desolvatationsverfahren eingesetzt. Die Oberflächenmodifikationen wurden analog zu den Umsetzungsbedingungen von HSA-NP durchgeführt. Die Bindungsfähigkeit des NeutrAvidins kann auch hier wieder durch die Kopplung an die Partikeloberfläche und den Aufreinigungsprozess beeinträchtigt sein. Daher wurde eine Nachweisreaktion mit einem fluoreszenzmarkierten Biotinderivat etabliert und die Funktionsfähigkeit des Avidins nachgewiesen. Um ein spezifisches Drug-Targeting-System zu etablieren, wurde der Träger zur Überwindung der Zellmembranen mit zwei verschiedenen biotinylierten Antikörpern ausgestattet. Eingesetzt wurde ein biotinylierter anti-CD3-AK, der von T-Lymphozyten internalisiert wird und ein biotinylierter anti-Her2neu-AK (Trastuzumab). Für die Bestimmung der gebundenen Antikörpermenge wurden zwei Methoden etabliert und lieferten für beide Antikörper eine Bindungseffizienz von nahezu 100%. In den anschließenden Zellkulturversuchen konnte eindrucksvoll eine rezeptorvermittelte Zellaufnahme in Lymphozyten und Brustkrebszellen über die an Gelatine-Nanopartikel gekoppelten, spezifischen Drug-Targeting-Liganden anti-CD3 und Trastuzumab gezeigt werden.
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.
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.