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Grafted PLGA-microparticles
functionalization, release kinetics, and epithelial - endothelial interaction under flow conditions
Xue Yan Wang
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Franz Gabor
DOI
10.25365/thesis.31976
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30062.89415.815566-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Derzeit stehen Mikro-und Nanopartikel als Drug Delivery Systeme im Mittelpunkt des Interesses von Forschung und Entwicklung im pharmazeutischen Bereich. Sie bieten viele Vorteile wie die Verfügbarkeit unterschiedlicher Herstellungstechniken und damit die Anpassungsfähigkeit an die Eigenschaften des Wirkstoffes. Darüber hinaus kann die Oberfläche der partikulären Wirkstoffträger strukturell modifiziert werden, sodass einerseits die Verweildauer der Mikro-und Nanopartikel im Körper verlängert und damit die Bioverfügbarkeit des Wirkstoffes erhöht wird. Andererseits können durch Strukturierung der Oberfläche mit biorekognitiven Liganden dem Partikel Eigenschaften verliehen werden, nur mit spezifischen Zelltypen und Zielgeweben zu interagieren, wodurch die Dosis und die Nebenwirkungsrate von Formulierungen gesenkt werden kann.
Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beleuchtet Aspekte der Funktionalisierung von Mikropartikeln, die aus dem biokompatiblen und bioabbaubaren Polyester Poly (D,L-laktid-co-glykolid) herstellt werden. Die Oberflächenmodifikation mit bioadhäsivem Weizenlektin bewirkt, dass im Gegensatz zum freien Arzneistoff erst der inkorporierte hydrophile Wirkstoff in Dünndarmzellen aufgenommen wird. Interessanterweise wird der hydrophile Modellarzneistoff nur bei Körpertemperatur freigesetzt. Andererseits steigt der erreichbare Beladungsgrad der Mikropartikel mit der Lipophilie des Wirkstoffes. Zusätzlich wird Poly (Ethylen-alt- Maleinsäure) (PEMA) als Stabilisator bei der Herstellung von Mikropartikeln vorgestellt, der im Gegensatz zu den etablierten Stabilisatoren eine wesentlich höhere Ligandendichte an der Partikeloberfläche ermöglicht. In einem Review wird die Anwendung von Lektin-modifizierten Mikrosphären zur Behandlung von Allergien beschrieben.
Der zweite Teil dieser Arbeit ist dem hydrodynamischen Fluss in Blutgefäßen und Dünndarm gewidmet, der die Wechselwirkung von Partikeln mit Zellen enorm beeinflusst, jedoch in der Literatur bisher kaum berücksichtigt wurde. Zur Simulation des Flusses wird ein mikrofluidisches, auf Oberflächen-akustischen Wellen basierendes und bereits etabliertes System in Richtung Parallelisierung weiterentwickelt. Interessanterweise üben Scherraten zwischen 0,5 s-1 und 2,25 s-1 keinen nenenswerten Einfluss auf die Adhäsion von negativ oder positiv geladenen Mikropartikeln aus. Weizenlektin-modifizierte Mikropartikel zeigen im bewegten system eine höhere Bindungsrate an artifizielles Dünndarmepithel. Zur Etablierung eines in-vitro Modelles für Blutgefäße werden erstmals Endothelzellen im mikrofluidisch bewegten System erfolgreich kultiviert, die Verträglichkeit mit Erythrozyten untersucht und ein für beide Zelltypen geeignetes Puffersystem etabliert. Zusätzlich wird dieses Modell auf entzündetes Endothel erweitert. Obwohl nach derzeitigem Stand des Wissens die parenterale Applikation durch die Lektin-bedingte Agglutination von Erythrozyten ausgeschlossen wird, ist i.v.-Gabe dennoch denkbar, da <15,88 μg mL-1 Weizenlektin keine Haemagglutination auslösen. Schließlich zeigen Permeationsstudien von Nanopartikeln im zellbasierten in-vitro Modell, dass die Filterschicht des Systems eine stärkere Barriere darstellt als die Zellschicht. Als Alternative wird die Verwendung von Metallgittern mit einer Maschenweite von 25 μm vorgeschlagen. Zusätzlich wird darauf hingewiesen, dass markierte Partikel das Fluorophor freisetzen können und dadurch scheinbar höhere Transportraten bestimmt werden.
Insgesamt konnten im Rahmen der vorliegenden Dissertation wesentliche Beiträge zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Polymer und Wirkstoff, zwischen Partikeloberfläche und Ligand sowie zwischen Partikeln und Zellen sowohl unter statischen als auch dynamischen Bedingungen geleistet werden. Somit stehen weitere Bausteine zur Realisierung des Konzeptes von zielorientierten Arzneiformen zur Verfügung.
Abstract
(Englisch)
Nowadays, the potential use of micro- and nanoparticles for drug delivery purposes is intensively investigated. Different molecules can be loaded into particles by selected techniques and even the surface of the drug carriers can be structurally modified. This allows for prolonged residence time of micro- and nanoparticles in the circulation increasing bioavailability and can moreover facilitate targeting diseased cells and tissues specifically.
Accordingly, the first part of the present thesis deals with preparation parameters and their impact on microparticle characteristics. Experiments with biocompatible and biodegradable PLGA microparticles loaded with hydrophilic, amphotheric, or lipophilic fluorescent model drugs revealed that selection of the preparation technique, the size, the loading as well as the release profile is basically dependent on the lipophilicity of the matrix and the entrapped drugs. Matching lipophilicity yielded best results. Interestingly, only hydrophilic fluorescein-sodium as a payload was released in a thermo-responsive manner as indicated by < 0.23% cumulative release at 4°C as opposed to > 80% at 37°C after 48h. In terms of surface modification of particles for site-specific delivery, particles prepared in presence of the alternative stabilizer poly(ethylene-alt-maleic acid), which contains additional reactive carboxylic end groups, yielded the highest coupling rate of bioadhesive wheat germ agglutinin and consequently strongest interaction with Caco-2 cells as compared with particles prepared in presence of the commonly used stabilizers polyvinylalcohol and poloxamer 188 by solvent evaporation techniques.
Furthermore, it is most likely that the hydrodynamic flow under physiological conditions and associated hydrodynamic forces will affect the interaction between particles and tissues. In the second part of present work, a multi-channel acoustically driven microfluidic system based on surface acoustic wave technology (SAW) was developed further in terms of parallelization. This device with four channels operated in parallel offered high reproducibility as well as versatility, and was further employed to mimic physiological conditions in vitro. As a proof-of-concept, the SAW-driven microfluidic device was applied to investigate the adhesion of positively and negatively charged polystyrene microspheres to endothelial and epithelial cell monolayers in the presence of hydrodynamic drag. Under flow conditions charge of 1 µm particles exerted negligible influence on epithelial and endothelial binding at average shear rates between 0.5 s-1 and 2.25 s-1 but biorecognitive lectin-particles yielded higher adhesion rates at the mean.
Moreover, as a step further towards lectin-mediated drug delivery for parenteral administration, the glycosylation pattern of human endothelial cells of micro- and macrovascular origin before and after inflammation was elucidated by lectin screening. Wheat germ agglutinin (WGA) revealed the highest binding rates to endothelial monolayers especially in case of inflamed primary cells. Interestingly, up to a concentration of 15.88 µg mL-1 WGA exerted no agglutinating effects on blood cells. This finding represents a paradigm shift and will open new perspectives for glycotargeting in pharmaceutics.
Finally, transport studies of nanoparticles across artificial intestinal epithelia clearly demonstrated that commonly applied filter membranes as a growth support act as an additional barrier against particle transport and fluorophore leakage results in arbitrary higher transport rates. As a more reliable alternative, metal grids with a mesh width of 25 µm as a growth support and ultracentrifugation as a method for removal of free nanoparticle were proposed.
All in all, in this thesis some key parameters issues basically influencing the preparation techniques, surface functionalization, and endothelial as well as epithelial in vitro models have been elucidated and described in detail in an effort to extend the scope of applicability of targeted drug delivery systems.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Drug delivery Drug targeting Hydrodynamic forces Microfluidics Poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) Surface functionalization
Schlagwörter
(Deutsch)
Wirkstofftransport Zielgerichtete Arzneiformen Hydrodynamische Kräfte Mikrofluidik Poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) Oberflächenfunktionalisierung
Autor*innen
Xue Yan Wang
Haupttitel (Englisch)
Grafted PLGA-microparticles
Hauptuntertitel (Englisch)
functionalization, release kinetics, and epithelial - endothelial interaction under flow conditions
Paralleltitel (Deutsch)
Oberflächenmodifizierte PLGA-Mikropartikel: Funktionalisierung, Freisetzung, Wechselwirkung mit Epithelien/Endothelien unter Flussbedingungen
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
192 S. : Ill., graf. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Eleonore Fröhlich ,
Marc Schneider
AC Nummer
AC11571975
Utheses ID
28435
Studienkennzahl
UA | 791 | 449 | |