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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-130940
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 17 February 2010 |
| Referee: | Achim (Prof. Dr.) Göpferich |
| Date of exam: | 12 February 2009 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical Technology (Prof. Göpferich) |
| Keywords: | Gold , Nanopartikel , Knochen , Diphosphonate , Polyethylenglykole , Targeted drug delivery , Nanokapsel , nanoparticles , bisphosphonate , PEG bone targeting |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 13094 |
Abstract (English)
Gold nanoparticles (GNPs) possess a great potential as model systems for the investigation of nanoparticulate drug delivery due to their ease of production, low toxicity and also the high stability of the noble metal in biological fluids. Due to their unique surface chemistry, they can be used as building platform for stable self assembled monolayers of thioalkylated poly(ethylene glycol)s with ...
Abstract (English)
Gold nanoparticles (GNPs) possess a great potential as model systems for the investigation of nanoparticulate drug delivery due to their ease of production, low toxicity and also the high stability of the noble metal in biological fluids. Due to their unique surface chemistry, they can be used as building platform for stable self assembled monolayers of thioalkylated poly(ethylene glycol)s with different surface functionalities, allowing the investigation of different drug targeting principles.
In this thesis gold nanoparticles, also for suitable for intravenous in vivo applications, were prepared in aqueous media by citrate reduction of gold chloride, yielding particles in the size range of 40 to 150 nm with appropriate size distributions. Adjustment of the particle size was achieved by varying the ratio of citrate to gold salt and subsequently the obtained particles were investigated via photon correlation spectroscopy and transmission electron microscopy for sufficient size determination.
For a subsequent stabilization and functionalization, heterobifunctional poly(ethylene glycol) derivatives [PEG] were synthesized, carrying a thioalkyl chain for stable binding to gold and a hydrophilic PEG chain as hydrophilic coating. The synthesis of the different thioalkylated poly(ethylene glycol)s was further improved applying a new synthetic strategy, in order to avoid non binding polymer components interfering with the subsequent particle coating. For the additional functionalization with targeting ligands, the polymers were furthermore modified to provide a functional amine group, which can be used to attach hydrophilic molecules necessary for specific binding of the colloids to their target sites. In this thesis two different polymers [methoxy poly(ethylene glycol)-undecyl mercaptane and amino poly(ethylene glycol)-undecyl mercaptane] were synthesized and conjugated to a bone targeting ligand, namely a bisphosphonate, using standard DCC/NHS chemistry. The obtained polymers were characterized by 1H-NMR, HPLC and mass spectroscopy and demonstrated a high degree of purity, suitable for further immobilization on gold surfaces.
In order to functionalize the prepared gold particles, bisphosphonate and methoxy terminated poly(ethylene glycol)-undecyl mercaptane (BP-PEG-AlkSH and mPEG-AlkSH) were mixed in different ratios and used to coat the nanoparticles. The investigations demonstrated that the polymer coated nanoparticles slightly increased in size as determined by PCS, but no significant changes were observed with TEM due to the low contrast of the polymer layer. The surface charge and UV-Vis absorption spectra of the particles were also only slightly changed, indicating well separated particles and a successful replacement of the citrate coating by the different polymers. The polymer-coated nanoparticles proved to be stable in different media (5M NaCl, 200 µg/ml BSA and 10% (V/V) serum), indicating a strong binding and a well established steric stabilization of the uncharged polymers. Bisphosphonate coated particles were furthermore incubated with porous hydroxyapatite ceramics (Endobon®, Biomet) and it was observed that their adsorption to apatite was strongly dependent on the content of bisphosphonate in the particle surface and the adsorption was not affected by calcium ions or proteins added to the media.
The conducted in vivo investigations using radioactively labeled particles furthermore indicated that the functionalized and non-functionalized gold nanoparticles showed only a minimum uptake by the reticuloendothelial system (liver and spleen) and therefore circulated for very long time in the bloodstream as compared to other nanoparticulate systems. On the other hand the particles also showed a strong tendency to extravasate and distribute into other organs after intravenous injection into mice, but the largest accumulation was observed in the kidneys. Besides that a steady accumulation of the bisphosphonate functionalized nanoparticles in bone was observed in comparison to control nanoparticles, but further studies have to be conducted in order to investigate especially the long term fate in bone and the accurate location of the particles in the kidney.
Due to the beneficial in vivo behavior of the developed particles, the here presented drug delivery system may be furthermore a suitable model system for the investigation also of other active targeting strategies in many different fields.
Translation of the abstract (German)
Goldnanopartikel (GNPs) haben ein großes Potential als Modellsysteme für die Untersuchung nanopartikulärer Arzneistofffreigabesysteme, nicht nur aufgrund ihrer einfachen Herstellung und niedrigen Toxizität, sondern auch aufgrund der hohen Stabilität des Edelmetalls Gold in biologischen Flüssigkeiten. Basierend auf der einzigartigen Oberflächenchemie des Goldes, können solche Partikel als ...
Translation of the abstract (German)
Goldnanopartikel (GNPs) haben ein großes Potential als Modellsysteme für die Untersuchung nanopartikulärer Arzneistofffreigabesysteme, nicht nur aufgrund ihrer einfachen Herstellung und niedrigen Toxizität, sondern auch aufgrund der hohen Stabilität des Edelmetalls Gold in biologischen Flüssigkeiten. Basierend auf der einzigartigen Oberflächenchemie des Goldes, können solche Partikel als Plattform für selbst formende Monoschichten von mit Schwefelalkylketten modifizierten Polyethylenglykolen mit unterschiedlichen Funktionalitäten genutzt werden, die die Untersuchung von Drug Targeting erlauben.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Goldnanopartikel durch Reduktion mit Zitraten in wässrigen Lösungen erhalten, die aufgrund ihrer Größe von 40 bis 150 nm geeignet sind für die intravenöse Applikation. Die Partikelgrößen konnten dabei angepasst werden durch Veränderung des Verhältnisses von Zitrat zu Goldsalzen, wobei die erhaltenen Partikel mittels Photonenkorrelationsspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert wurden.
Für die nachfolgende Stabilisierung und Funktionalisierung der Partikel wurden heterobiofunktionale Polyethylenglykole [PEG] synthetisiert, die zum einen eine Alkylkette mit terminalen Thiol für die Bindung an Gold enthalten, zum anderen aber auch eine PEG Kette für die notwendige hydrophile Beschichtung beinhalten. Die Synthese dieser Verbindungen wurde im Rahmen der Arbeit weiter verbessert, um am Ende die Anwesenheit nicht funktionaler Nebenprodukte möglichst zu vermeiden. Für die weitere Funktionalisierung mit Targeting Liganden wurden die Polymere weiterhin mit einer endständigen Aminogruppe funktionalisiert, welche zur Anbindung hydrophiler Moleküle als Liganden für das Zielgewebe verwendet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden so hauptsächlich zwei Polymere (H2N-PEG-AlkSH und mPEG-AlkSH) benutzt, von denen das mit der Aminogruppe noch zusätzlich mit einem speziell synthetisierten Bisphosphonat mittels konventioneller DCC/NHS Chemie modifiziert wurde. Die so erhaltenen Polymere wurden mit 1H-NMR, HPLC sowie Massenspektrometrie charakterisiert und es konnte gezeigt werden, dass sie mit hoher Reinheit erhalten wurden, was ihre Verwendung zur Beschichtung der Goldnanopartikel erlaubte.
Um die hergestellten Goldnanopartikel zu funktionalisieren, wurden das Bisphosphonat und das Methoxy terminierte Polyethylenglykol-alkylmercaptan (BP-PEG-AlkSH und mPEG-AlkSH) in verschiedenen Verhältnissen gemischt und zur Beschichtung der Partikel verwendet. Die Partikel zeigten dabei eine geringfügige Größenzunahme in der PCS, aber jedoch keine Veränderung im TEM, was auf den geringen Kontrast der Polymerbeschichtung zurückzuführen war. Die Oberflächenladung und die Absorptionsspektren der Partikel waren ebenfalls auch nur geringfügig verändert, was einen erfolgreichen Austausch der Zitrathülle und darüber hinaus gut stabilisierte singuläre Partikel belegt. Die Polymer beschichteten Partikel waren ebenfalls inert gegenüber unterschiedlichen Medien (5M NaCl, 200 µg/ml BSA und 10% (V/V) Serum), die sonst zu einer unmittelbaren Aggregation von Goldpartikeln führen, was eine erfolgreiche Stabilisierung und einen stabilen Ersatz der Ladungshülle belegt. Die Bisphosphonat funktionalisierten Partikel zeigten eine konzentrationsabhängige Affinität zu porösen Hydroxylapatit Keramiken (Endobon®, Biomet), die als Model für Knochen verwendet wurden, welche auch durch die Anwesenheit von Calcium oder Proteinen nicht beeinflusst werden konnte.
Die am Ende durchgeführten in vivo Untersuchungen mit radioaktiv markierten Partikeln zeigten, dass sowohl die funktionalisierten als auch die nicht funktionalisierten Partikel nur minimal vom Retikuloendothelialsystem (Leber und Milz) aufgenommen werden und so für einen deutlich längere Zeit im Blut zirkulieren als im Vergleich dazu andere Nanopartikel. Auf der anderen Seite zeigten die kleinen Partikel aber auch eine hohe Bereitschaft die Blutbahnen zu verlassen, was die Anwesenheit von Radioaktivität in vielen verschiedenen Organen belegte. Die größte Menge wurde dabei in der Niere detektiert und auch im Knochen zeigte sich eine stete Anhäufung der Radioaktivität über den Untersuchungszeitraum. Weitere Studien sind hier jedoch nötig, die den Verbleib in der Niere klären, aber auch die Langzeitverteilung in den verschiedenen Organen bestimmen.
In der Gesamtheit stellt das hier entwickelte Partikelsystem ein geeignetes Modellsystem dar für die Untersuchung weiterer aktiver Drug Targeting Anwendungen eventuell auch mit anderen Liganden oder Zielgeweben.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 15:11
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