| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen ohne Print on Demand (17MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-382852
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.38285
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 20 Januar 2020 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Achim Göpferich |
| Tag der Prüfung: | 18 Januar 2019 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Pharmazie Chemie und Pharmazie > Institut für Pharmazie > Lehrstuhl Pharmazeutische Technologie (Prof. Göpferich) |
| Stichwörter / Keywords: | polymeric nanoparticles, multivalence, multiligand, integrin receptor, AT1 receptor, targeting, mesangial cells, diabetic nephropathy, microfluidics, protein corona, cargo leaching, colloidal integrity, hybrid nanoparticles, targeting factors |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 615 Pharmazie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 38285 |
Zusammenfassung (Englisch)
Maximizing drug concentration at the site of disease while minimizing undesiredsystemic drug effects is regarded the ideal conception for pharmacotherapy. This is of particular importance when the therapeutic target is confined to a defined tissue which is the case for various cancers, vitreoretinal diseases or diabetic nephropathy. Targeted drug delivery is widely regarded the most potent tool ...
Zusammenfassung (Englisch)
Maximizing drug concentration at the site of disease while minimizing undesiredsystemic drug effects is regarded the ideal conception for pharmacotherapy. This is of particular importance when the therapeutic target is confined to a defined tissue which is the case for various cancers, vitreoretinal diseases or diabetic nephropathy. Targeted drug delivery is widely regarded the most potent tool to make this vision come true (Chapter 1). In particular, polymeric nanoparticles (NPs) have tremendous potential for targeted delivery as they are biocompatible, degradable and possess unique and highly tunable physicochemical properties. However, their bench to bedside transition proceeds slowly which is attributed to several limiting factors: (1) lack of manufacturing platforms that allow for a controlled and scalable synthesis, (2) inadequate knowledge of events at the nano bio interface both in vitro and in vivo, (3) the limited understanding of their fate in the body due to their poor detectability in biological environments, (4) incomplete knowledge of critical targeting factors, and (5) insufficient selectivity and efficiency of targeted NPs in vivo.
The aim of this work was to design and characterize core/shell structured multivalent polymeric NPs intended for selective targeting of mesangial cells with special focus on addressing the abovementioned challenges.
The development of therapeutic colloids intended for selective targeting requires the precise control of NP attributes. Particle size is widely considered a key factor since it determines the interfacial contact area and therefore, has a major impact on multivalent binding to target cells. In Chapter 3, microfluidic synthesis of multicomponent polymeric colloids was evaluated and compared to bulk nanoprecipitation, which is considered the gold standard in the field. It was found that nanoprecipitation generally results in formation of larger particles with a wide size distribution, whereas microfluidic synthesis allowed for the manufacturing of highly monodisperse NPs of defined size.
The majority of efforts in the area of polymeric nanocarriers is aimed at providing controlled drug delivery in vivo. Therefore, it is essential to understand the delicate interplay of polymeric NPs with serum proteins. In Chapter 4, the impact of particle charge (negative, positive, zwitterionic) and hydrophobicity (non-charged) on the interaction with serum proteins was studied. Due to strong attractive electrostatic interactions, positively charged NPs formed the most distinct protein corona, followed by uncharged and negatively charged NPs, and finally zwitterionic NPs with the lowest amount of deposited protein. This enhanced interaction with serum proteins significantly impaired the colloidal integrity because the lipophilic cargo was continuously leached out of the hydrophobic NP core.
Surface functionalization with high-affinity ligands is commonly considered the major determinant for controlling the uptake efficiency in vitro and in vivo. However, it is often not sufficiently taken into consideration that cellular uptake of targeted colloids is governed by a complex interplay between different particle features. In Chapter 5, the combinational influence of ligand density and linker length on the specific receptor binding was investigated. When NPs with complete surface functionalization and short versus long linkers were compared, short poly(ethylene glycol) PEG chains displayed a significantly higher tendency to form colloidal clusters which facilitated cooperative binding to integrin receptors on the cell membrane. In contrast, the use of longer and more flexible PEG chains enhanced the chance of ligand shrouding which significantly impeded ligand-receptor interactions.
There are numerous examples where nature has inspired researchers to create high performance materials for medicine, engineering and other fields. For targeted delivery, viruses could serve as blueprints to optimize selective targeting of NPs. To mimic the binding sequence of viruses and utilize this selective targeting strategy for the treatment of renal diseases, polymeric core/shell structured nanocarriers were surface-decorated with two mesangial cell-specific targeting ligands. In this system, the primary ligand (AT1R blocker) was used for the first recognition of the target cell via binding to the AT1R, whereas the secondary ligand (cRGD) was initially “invisible” for the cell and interacted with the secondary receptor (avβ3 integrin) in a time-shifted manner and triggered endocytosis. In contrast to NPs decorated with a single type of targeting ligand, dual targeted NPs displayed synergistic targeting effects with enhanced selectivity and efficiency (Chapter 6).
Nanoparticles made of organic materials offer the advantage of high biocompatibility but suffer frequently from poor visibility in biological environments. To overcome this restraint, 2.2 nm gold nanoparticles were introduced as a contrast agent at the interface between the hydrophobic fluorophore loaded core and the hydrophilic shell of polymeric nanoparticles. Due to the spatially controlled stratified composition these hybrid NPs exhibited outstanding detectability in transmission electron microscopy, even without the addition of contrast agents. Combination with an additional fluorescence label resulted in a negligible degree of fluorescence quenching which allowed for concomitant detection of the gold and the fluorescent label by optical microscopy. Moreover, the gold content of hybrid NPs is sufficiently high for future quantification in tissues after systemic administration (Chapter 7).
In summary, various novel concepts have been established in this work that will facilitate the development of effective nanomedicines or improve existing delivery strategies.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die Wirkstoffkonzentration am Krankheitsherd zu maximieren und gleichzeitig systemische Nebenwirkungen zu reduzieren stellt das ideale Konzept der Pharmakotherapie dar. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das erkrankte Areal lokal auf ein bestimmtes Gewebe begrenzt ist, wie es für verschiedene Arten von Krebserkrankungen, vitroretinale Erkrankungen sowie die diabetische Nephropathie ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die Wirkstoffkonzentration am Krankheitsherd zu maximieren und gleichzeitig systemische Nebenwirkungen zu reduzieren stellt das ideale Konzept der Pharmakotherapie dar. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das erkrankte Areal lokal auf ein bestimmtes Gewebe begrenzt ist, wie es für verschiedene Arten von Krebserkrankungen, vitroretinale Erkrankungen sowie die diabetische Nephropathie der Fall ist.
Nanopartikel, welche zielgerichtet an eine bestimmte Zell- oder Gewebeart adressiert sind, stellen den wirkungsvollsten Ansatz dar, um diese Vision einer zielgerichteten Therapie zu verwirklichen (Kapitel 1). Insbesondere polymerbasierte Nanopartikel besitzen ein sehr großes Potential da sie biokompatibel und abbaubar sind, sowie einzigartige und präzise variierbare physikochemische Eigenschaften besitzen.
Trotz ihres großen Potentials verläuft der Transfer von der Forschung zur klinischen Anwendung am Patienten sehr langsam. Dies ist auf mehreren Faktoren zurückzuführen: (1) das Fehlen einer Herstellungsplattform welche eine kontrollierte und skalierbare Produktion ermöglicht, (2) unzureichendes Wissen über Vorgänge an der Bio-Nano Grenzfläche, sowohl in vitro als auch in vivo (3) ein limitiertes Verständnis hinsichtlich ihrer Verteilung in Körper aufgrund ihrer unzureichenden Detektierbarkeit in biologischer Umgebung, (4) ein unvollständiges Wissen über kritische Targeting-Faktoren, und (5) unzureichende Selektivität und Effizienz von zielgerichteten Nanopartikeln in vivo.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin Kern/Hüllen-strukturierte multivalente Polymernanopartikel zum selektiven Targeting von Mesangialzellen zu entwickeln und zu charakterisieren, und gleichzeitig auf die oben genannten Herausforderungen zu einzugehen und Lösungen zu finden.
Die Entwicklung therapeutischer Kolloide, mit denen ein selektives Targeting möglich ist, setzt eine präzise Kontrolle über die Partikeleigenschaften voraus. Die Partikelgröße gilt als eine der Schlüsseleigenschaften, da sie die Kontaktfläche zwischen Partikeln und Zellen definiert und so einen großen Einfluss auf multivalente Bindungsvorgänge hat. In Kapitel 3, wurde die Mikrofluidik-basierte Herstellung von Kolloiden, die aus einem Mehrkomponentengemisch hergestellt werden sollten, mit der Bulknanopräzipitation verglichen, die als Goldstandard in diesem Forschungsgebiet gilt. Es wurde festgestellt, dass die Bulk Nanopräzipitation generell zur Bildung großer Partikeln mit einer breiten Größenverteilung führte, wohingegen die Mikrofluidik-basierte Synthese die Herstellung von monodispersen Nanopartikeln einer definierten Größe ermöglichte.
Der Großteil der Anstrengungen im Gebiet der Polymernanopartikelforschung richtet sich auf eine kontrollierten Wirkstoffabgabe in vivo. Aus diesem Grund ist es essenziell, das empfindliche Zusammenspiel von Polymernanopartikeln und Serumproteinen zu verstehen. In Kapitel 4 wurde der Einfluss der Partikelladung (negativ, positiv, zwitterionisch) und der Hydrophobizität (ungeladen) auf die Interaktion mit Serumproteinen untersucht. Aufgrund starker anziehender elektrostatischer Wechselwirkungen neigten positiv geladene Nanopartikel am stärksten zur Bildung einer Proteinkorona, gefolgt von ungeladenen und negativ geladene Nanopartikeln, und schließlich den zwitterionischen Partikeln, die die geringste Menge an adsorbierten Porteinen aufwiesen. Die verstärkte Interaktion mit Serumproteinen hatte einen signifikanten Einfluss auf die Nanopartikelintegrität, was letztendlich dazu führte, dass die lipophile Fracht kontinuierlich aus dem hydrophoben Kern der Nanopartikel freigesetzt wurde.
Die Oberflächenmodifikation mit hochaffinen Liganden gilt als der bedeutendste Einflussfaktor die Aufnahmeeffizienz in vitro und in vivo zu steuern. Jedoch wird dabei häufig übersehen, dass die zelluläre Aufnahme von gerichteten Kolloiden durch das komplexe Zusammenspiel unterschiedlicher Partikeleigenschaften bestimmt wird. In Kapitel 5 wurde der kombinatorische Einfluss der Liganddichte und Linkerlänge auf die spezifische Rezeptorbindung untersucht. Beim Vergleich von Nanopartikeln mit maximaler Oberflächenfunktionalisierung und kurzen versus langen Linkern führte der Einsatz kürzerer Polyethylenglykol (PEG) Ketten zur Bildung kolloidaler Cluster, welche wiederum die multivalente Interaktion mit Integrinrezeptoren auf der Zellmembran begünstigten. Im Unterschied dazu führte die Verwendung von langen und damit flexibleren PEG Ketten zunehmend zu einer Verhüllung der Liganden, was sich negativ auf Ligand-Rezeptor-Interaktionen auswirkte.
Es gibt eine Vielzahl von Beispielen bei denen Forscher von der Natur inspiriert wurden um Hochleistungsmaterialien für Medizin, Ingenieurwesen und andere Bereiche zu entwickeln. Für den zielgerichteten Transport von Molekülen können Viren als Vorlage dienen um die Selektivität zu steigern. Um die Bindungssequenz von Viren nachzuahmen und diese Strategie für die Behandlung von Nierenerkrankungen zu nutzen, wurden Kern/Hülle-strukturierte Nanoträger mit zwei mesangialzellspezifischen Liganden modifiziert. Hierbei wurde der primäre Ligand (Angiotensin II Antagonist) für die initiale Zellerkennung durch Bindung an den primären Angiotensin-II-Rezeptor genutzt, wohingegen der sekundäre Ligand (cRGD) für die Zelle initial nicht sichtbar war sondern erst zeitversetzt mit dem sekundären Integrinrezeptor interagierte und letzendlich die Aufnahme des Partikels induzierte. Im Gegensatz zu Partikeln, welche lediglich mit einem der beiden Liganden modifiziert waren, zeigten dual-modifizierte Partikel synergistische Targeting Effekte mit verstärkter Selektivität und Effizienz (Chapter 6).
Ein Vorteil organischer Nanopartikeln liegt in ihrer hohen Biokompatibilität, jedoch sind diese Nanopartikel häufig schlecht detektierbar in biologischer Umgebung. Um diese Beschränkung zu überwinden wurden 2.2 nm kleine Goldpartikel an die Grenzfläche zwischen hydrophoben fluoreszenzmarkiertem Kern und der hydrophilen Hülle der Polymerpartikel positioniert. Aufgrund der kontrolliert geschichteten Komposition konnten Hybridnanopartikel selbst ohne zusätzliche Konstrastierung mittels Transmissionselektronenmikroskopie detektiert werden. Die Kombination mit einem zusätzlichen Fluoreszenzlabel führte lediglich zu einem vernachlässigbaren Auslöschen der Fluoreszenzintensität, was eine gleichzeitige Detektion des Gold- und Fluoreszenzlabels ermöglichte. Der Goldgehalt ist ausreichend hoch um künftig eine Quantifizierung der Hybrid Nanopartikel in Gewebe nach systemischer Administration zu ermöglichen (Kapitel 7).
Zusammengefasst wurden in dieser Arbeit verschiedene Konzepte etabliert, welche die Entwicklung effizienter Nanotherapeutika vereinfachen und bestehende Systeme verbessern können.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 18:41
Nur für Besitzer und Autoren: Kontrollseite des Eintrags
Downloadstatistik