![[img]](https://epub.uni-regensburg.de/style/images/fileicons/application_pdf.png) | Lizenz: Creative Commons Namensnennung 4.0 International Dissertation Sebastian Beck (101MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-527401
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.52740
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 1 Februar 2024 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Achim Goepferich |
| Tag der Prüfung: | 7 Juli 2022 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Pharmazie > Lehrstuhl Pharmazeutische Technologie (Prof. Göpferich) |
| Stichwörter / Keywords: | Core-Shell; Nanoparticle; Diabetic Retinopathy; Macula Degeneration; Block-Co-Polymer; Ligand; Losartan Carboxylic Acid; EXP3174; Targeting; Avidity; Freeze-Drying; Polyethylenglycol; PEG-PLA; PLGA; |
| 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: | 52740 |
Zusammenfassung (Englisch)
Core-shell Nanoparticles offer a highly flexible platform technology for the design of biocompatible, nanoparticulate therapeutics. These core-shell Nanoparticles were decorated with losartan carboxylic acid (EXP3174), that is an antagonist for angiotensin II type 1 receptors (AT1R). It was the superior goal to develop a therapeutical system to inhibit ocular neovascularization during progressive ...
Zusammenfassung (Englisch)
Core-shell Nanoparticles offer a highly flexible platform technology for the design of biocompatible, nanoparticulate therapeutics. These core-shell Nanoparticles were decorated with losartan carboxylic acid (EXP3174), that is an antagonist for angiotensin II type 1 receptors (AT1R). It was the superior goal to develop a therapeutical system to inhibit ocular neovascularization during progressive age-related macular degeneration (AMD) or diabetic retinopathy (DR).
Viruses use spike proteins on their surface to target host cells. This architecture was used as a blueprint for the nanoparticle design. EXP3174 molecules were linked to longer polymer chains to raise the ligands out of the nanoparticle shell. Polyethylene glycol (PEG)- polylactide (PLA) block-co-polymers were synthesized with tailored properties. Various functional end groups offered the opportunities to introduce charges and different reactivities. EXP3174 was covalently linked to amino-PEG-PLA block-co-polymers. The synthetized PEG-PLA block-co-polymers as well as a purchased poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) were utilized to manufacture core-shell nanoparticles via nanoprecipitation. PLGA was linked to fluorescent dyes or ultra-small gold particles, so that the manufactured nanoparticles were traceable via various analytical methods (e.g. flow cytometry, confocal laser scanning microscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry). Moreover, the core-shell nanoparticles were successfully tagged with radioactive indium ions. This means that core-shell nanoparticles are traceable via a multitude of analysis techniques and can be applied therapeutically as an untagged preparation.
The designed nanoparticles were extensively characterized. It is worth to mention the established formula for the calculation of the particle number concentration. The formula was based on the total polymer content and the hydrodynamic diameter. This calculation strategy was an essential milestone, since it facilitated the comparison of results obtained from differently sized nanoparticles. Furthermore, it was the basis for numerous binding studies at an AT1R-carrying cell line. Different methods evidenced a sub nanomolar avidity. Consequently, EXP3174-decorated core-shell nanoparticles outperformed their naïve ligand EXP3174 itself. The explanation could be found in the multivalent binding behavior. It was determined that only a single-digit number of ligands bound to the target cells. This is in accordance with the number of spikes per virus.
Eventually the EXP3174-decorated core-shell nanoparticles were tested at healthy laboratory animals. With the help of computed tomography assisted single-photon emission computed tomography (SPECT-CT) the biodistribution of radioactively tagged core-shell nanoparticles was followed in real time. The results unveiled a renal elimination pathway and a very short half-life. An accumulation in the ocular vasculature could not be substantiated. Hence further development is needed for this field of application.
Beyond that it was focused on the long-term stability of core-shell nanoparticles. Since they were composed of biodegradable polymers, core-shell nanoparticles degrade in an aqueous dispersion. Consequently, the dispersions must be freshly prepared prior every experiment. This aspect indicated the need for the development of an anhydrous formulation. It was possible to remove the dispersing agent water quantitatively via freeze drying into a stable lyophilizate. It is worth to mention that the core-shell nanoparticles retained their full avidity after redispersion. It was necessary to just add sucrose as the only excipient (cryo- and lyoprotector).
Finally, the block-co-polymers allowed to tailor the properties of the needed core-shell nanoparticles precisely. It is possible to decorate the nanoparticles with different ligand densities or to create hetero multivalent nanoparticles as well. Especially the different labelling techniques must be highlighted. They gave access to a multitude of analysis techniques without changing the nanoparticle properties substantially. All in all, a highly promising nanoparticulate platform technology with the potential to become a therapeutical application was developed.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Core-Shell Nanopartikel stellen eine hochflexible Platformtechnologie dar und bieten die Möglichkeit biokompatible Nanopartikel für therapeutische Zwecke zu entwerfen. Die Nanopartikel wurden mit Losartansäure (EXP3174), einem Antagonisten für Angiotensin II Typ 1 Rezeptoren (AT1R), dekoriert. Ziel war die Entwicklung eines therapeutischen Systems um die pathologische Neovaskularisation okularer ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Core-Shell Nanopartikel stellen eine hochflexible Platformtechnologie dar und bieten die Möglichkeit biokompatible Nanopartikel für therapeutische Zwecke zu entwerfen. Die Nanopartikel wurden mit Losartansäure (EXP3174), einem Antagonisten für Angiotensin II Typ 1 Rezeptoren (AT1R), dekoriert. Ziel war die Entwicklung eines therapeutischen Systems um die pathologische Neovaskularisation okularer Blutgefäße infolge der Altersbedingten Makuladegeneration (AMD) sowie der Diabetischen Retinopathie (DR) zu hemmen.
Viren präsentieren Spike Proteine an ihrer Oberfläche um Wirtszellen gezielt zu adressieren. Nach diesem Vorbild wurden die EXP3174 Liganden an längere Polymerketten gekoppelt und an der Nanopartikeloberfläche präsentiert. Polyethylenglycol (PEG)- Polylactid (PLA) Block-co-polymere wurden maßgeschneidert synthetisiert. Durch die Implementierung verschiedenster funktioneller Endgruppen können verschiedene Ladungen und Reaktivitäten eingebracht werden. EXP3174 wurde an ein Amino-PEG-PLA Block-co-polymer gekoppelt. Aus den synthetisierten PEG-PLA Block-co-polymeren sowie einem kommerziell erhältlichen Poly(lactid-co-glycolid) (PLGA) wurden Core-Shell Nanopartikel mittels Nanopräzipitation hergestellt. Das PLGA wurde mit Fluoreszenzfarbstoffen oder ultrakleinen Goldpartikeln markiert, sodass die Nanopartikel mit verschiedensten Methoden (u.a. Durchflusszytometrie, Konfokal Mikroskopie und Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) detektiert werden konnten. Darüber hinaus wurden die Core-Shell Nanopartikel erfolgreich mit radioaktivem Indium markiert. Demzufolge eignen sich Core-Shell Nanopartikel hervorragend zur Detektion mit den verschiedensten Analysenmethoden und können gleichzeitig für eine therapeutische Anwendung (ohne Markierung) herangezogen werden.
Die entwickelten Nanopartikel wurden umfassend charakterisiert. Besonders hervorzuheben ist dabei die Formel zur Berechnung der Partikelkonzentration. Die Berechnungsformel basiert auf der absoluten Polymerkonzentration und dem hydrodynamischen Durchmesser. Dieses Verfahren ist ein wesentlicher Meilenstein, da es die Grundlage für die Vergleichbarkeit zwischen Versuchsergebnissen mit Nanopartikeln verschiedener Größen erlaubt. Außerdem bildet es die Grundlage für die zahlreichen Bindungsstudien an einer AT1R-positiven Zelllinie. Mit verschiedenen Methoden wurde eine subnanomolare Avidität nachgewiesen. Damit waren die EXP3174-dekorierten Core-Shell Nanopartikel sogar dem naiven Liganden EXP3174 überlegen. Erklären lässt sich dieses Phänomen durch eine multivalente Bindung. Es wurde ermittelt, dass nur eine einstellige Anzahl an Liganden pro Nanopartikel an den Zielzellen binden. Diese Größenordnung steht im Einklang mit der Anzahl an Spikes pro Virus.
Schließlich wurden die EXP3174-dekorierten Core-Shell Nanopartikel an gesunden Versuchstieren getestet. Mittels Computertomographisch unterstützter Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT-CT) konnte die Biodistribution der radioaktiv-markierten Core-Shell Nanopartikel in Echtzeit verfolgt werden. Diese Daten enthüllen einen renalen Eliminationsweg und belegen eine nur sehr kurze Halbwertszeit. Eine Anreicherung in okularen Gefäßen konnte nicht nachgewiesen werden. Demnach besteht weiterer Entwicklungsbedarf für dieses spezielle Anwendungsgebiet.
Darüber hinaus würde die Stabilität der Core-Shell Nanopartikel umfassend studiert. Es handelt sich um bioabbaubare Polymere, die in wässriger Dispersion nicht lagerstabil sind. Somit mussten die Nanopartikel vor den jeweiligen Experimenten frisch hergestellt werden. Dies erklärt die Notwendigkeit für die Entwicklung einer wasserfreien Formulierung. Mittels Gefriertrocknung konnten die Core-Shell Nanopartikel in ein stabiles Lyophilisat überführt werden. Besonders bemerkenswert ist die Tatsache, dass nach der Redispergierung kein Aviditätsverlust beobachtet wurde. In der Formulierung musste lediglich Saccharose als Hilfsstoff (Kryo- und Lyoprotektor) hinzuzufügt werden.
Durch den Einsatz der Block-co-polymere können die Eigenschaften der Nanopartikel genau eingestellt werden. Es ist möglich Nanopartikel mit verschiedenen Liganddichten aber auch hetero multivalente Nanopartikel zu entwerfen. Besonders hervorzuheben sind die verschiedenen Markierungsmöglichkeiten. So können die Nanopartikel ohne substanzielle Veränderungen mit den verschiedensten Analysemethoden detektiert werden. Somit wurde eine vielversprechende Platformtechnologie etabliert, welche das Potential für die Entwicklung zu einer therapeutisch einsetzbaren Formulierung besitzt.
Metadaten zuletzt geändert: 01 Feb 2024 06:02
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