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Interaction of bioadhesive nanoparticles with an artificial intestinal epithelium
Adina Katharina Ilyes
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Michael Wirth
DOI
10.25365/thesis.6053
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29747.52717.723662-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Eines der Kerngebiete der pharmazeutisch-technologischen Forschung stellt die Entwicklung von Formulierungen für biotechnologisch hergestellte Arzneistoffe dar. Diese Klasse von Wirkstoffen wird als äußerst zukunftsträchtig angesehen und umfasst unter anderen Desoxyribonukleinsäuren (DNS), Ribonukleinsäuren (RNS), Peptide und Proteine. Der hohen Wirksamkeit dieser Makromoleküle steht als gravierender Nachteil ihre zumeist unzureichende Stabilität nach Applikation in vivo gegenüber. Ein vielversprechender Ansatz um diese Substanzen sowohl vor dem Abbau durch Enzyme als auch vor der Denaturierung in sauren Kompartimenten zu schützen, ist die Verkapselung in Nano- und Mikropartikeln. Um als Arzneistoffträger angewandt werden zu können, müssen die Teilchen aus biokompatiblen und bioabbaubaren Polymeren bestehen. Zu diesem Zweck steht eine Vielzahl von natürlichen und synthetischen Polymeren zur Verfügung, die den inkorporierten Wirkstoff verzögert freisetzen.[1,2] Innerhalb dieser Gruppe von Polymeren werden die Homo- und Copolymere der α-Hydroxysäuren Milch- und Glykolsäure (Poly(D,L-lactic acid) (PLA), Poly(D,L-lactic-co-glycolic acid) (PLGA)) besonders häufig verwendet.[3,4] Die Gründe dafür liegen sowohl in der Zulassung von PLGA als Hilfsstoff durch die Food and Drug Administration (FDA) als auch in der breiten kommerziellen Verfügbarkeit des Polymers.
Neben dem Schutz des Arzneistoffs eröffnet die Verwendung von partikulären Trägersystemen auch Möglichkeiten zur Steuerung der Biodistribution. Beispielsweise kann durch Modifikation der Partikeloberfläche mit „targeter“-Molekülen eine bevorzugte Anreicherung des Wirkstoffs im erkrankten Gewebe erzielt werden. So könnte der sonst üblichen „Überschwemmung“ des Organismus mit hochwirksamem Arzneistoff entgegengewirkt und dadurch der Schweregrad und die Häufigkeit des Auftretens von Nebenwirkungen reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil von Nanopartikeln ist deren theoretisches Potential zur Translokation über Epithel- und Endothelbarrieren im Körper. Aus biopharmazeutischer Sicht ist diese Eigenschaft besonders bei der peroralen Verabreichung von Arzneistoffen von Interesse, da dieser Weg
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nach wie vor die einfachste und beliebteste Methode der Arzneimitteleinnahme darstellt. Hierbei könnten Nanopartikel als schützendes Trägersystem fungieren, welches über das gastrointestinale Epithel resorbiert wird und schlussendlich den Wirkstoff im Blut- und Lymphsystem freisetzt. Untersuchungen mit Kolloiden aus Polystyren (PS) haben gezeigt, dass dieser Resorptionsweg tatsächlich die Aufnahme von Nanopartikeln in die systemische Zirkulation erlaubt.[5] Laut ersten Studien ist das Ausmaß der Resorption aber vermutlich zu gering um einen therapeutisch effektiven Plasmaspiegel zu erzielen.[6] Ein Hauptgrund dafür könnte in der geringen Bioadhäsivität der eingesetzten Polymerteilchen liegen.[7] Diese Eigenschaft wurde jedoch nicht nur für PS sondern auch für das biokompatible und bioabbaubare PLGA beschrieben.[8,9] Um die Anreicherung von PLGA-Nanopartikeln (PLGA-NP) am Epithel zu fördern, können die Partikel mit mukoadhäsiven Polymeren wie Chitosan überzogen werden.[10] Eine weitere Möglichkeit um die Bioadhäsivität von Teilchen zu verbessern stellt die Konjugation mit Lektinen dar. Lektine sind Proteine bzw. Glykoproteine, die mit der Glykokalyx der Plasmamembran eukaryotischer Zellen interagieren können. Jedes Lektin ist durch seine jeweils spezifische Wechselwirkung mit einer bestimmten Zuckerstruktur charakterisiert. Durch ein screening von Lektinen mit unterschiedlichen Zuckerspezifitäten kann das Protein identifiziert werden, das für die jeweilige Zellart die stärkste Bioadhäsion aufweist. Für intestinale Epithelzellen wurde eine hohe Bindung von Weizenlektin (WGA) beschrieben. WGA ist ein säurestabiles, dimeres Protein mit vier Bindungsstellen zur Wechselwirkung mit N-Acetyl-D-Glucosamin- und N-Acetylneuraminsäureresten.[11,12] Nach Bindung an die Membran von intestinalen Epithelzellen wird ein Großteil der assoziierten WGA-Moleküle internalisiert.[13] Um diese vorteilhaften cytoadhäsiven aber auch cytoinvasiven Eigenschaften auf Polymerteilchen zu übertragen, kann WGA kovalent an der Partikeloberfläche immobilisiert werden. Bei Partikeln aus PLGA stehen zu diesem Zweck die freien endständigen Carboxylgruppen des Polymers zur Verfügung. Diese reagieren nach Aktivierung mit N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimid Hydrochlorid (EDAC) und N-Hydroxysuccinimid (NHS) mit den Amingruppen der Proteine zu Amiden. Derart modifizierte WGA-Partikel zeigen verglichen mit unmodifizierten Teilchen eine deutlich erhöhte Bindung an
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epitheliale Caco-2 Einzelzellen.[8] Aus biopharmazeutischer Sicht ist die Aussagekraft von Einzelzellversuchen jedoch limitiert, da kaum Rückschlüsse auf die Interaktion von Partikeln mit einem Zellgewebe gezogen werden können. Dazu eignen sich Zellmonolayer deutlich besser. Ein pharmazeutisch akzeptiertes in vitro Modell stellen in diesem Zusammenhang polarisierte Caco-2 Monolayer dar, die sowohl morphologisch als auch funktionell weitgehend dem humanen Dünndarmepithel entsprechen.[14]
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit sollte untersucht werden, inwieweit die Interaktion von biokompatiblen und biodegradierbaren PLGA-Nanopartikeln mit artifiziellem humanem Dünndarmgewebe durch Konjugation mit WGA verbessert werden kann. Um die Zahl der zellgebundenen Partikel erfassen zu können, sollen PLGA-NP mit dem Fluoreszenzfarbstoff BODIPY® 493/503 (BOD; 4,4-Difluoro-1,3,5,7,8-pentamethyl-4-bora-3a,4a-diaza-5-indazen) markiert werden.[8] Nach Charakterisierung von Kontroll- und bioadhäsiven Partikeln hinsichtlich ihrer Stabilität in ausgewählten Puffern und Medien, sollen Partikelbindungsstudien mit Caco-2 Zellmonolayern in Mikrotiterplatten durchgeführt und das Ausmaß der Interaktion sowohl fluorimetrisch als auch fluoreszenzmikroskopisch analysiert werden.
Abstract
(Englisch)
The shuttling of drug-loaded nanoparticles (NP) over the intestinal epithelium into systemic circulation represents a promising approach for the peroral administration of highly potent but chemically sensitive drugs. However, biocompatible and biodegradable nanoparticles produced from polymers like poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) are characterized by a lack of bioadhesion that limits their binding to and translocation through the epithelium. To enhance the bioadhesion of PLGA-NP, the carbohydrate binding protein wheat germ agglutinin (WGA) was covalently grafted to the surface of fluorescent labeled particles. Using Caco-2 cell monolayers the cytoadhesive and cytoinvasive properties of WGA-PLGA-NP and albumin-modified PLGA-NP as control were investigated by fluorimetry and fluorescence microscopy. Surface modification of PLGA-NP with WGA leads to increased cell binding as illustrated by the adhesion of 13.9 ± 1.3% of these particles compared to 8.5 ± 1.5% of the control after 120 min incubation at 4 °C. Upon raising the incubation temperature, both types of protein-modified particles were taken up into the Caco-2 cell layers by energy consuming transport processes. The uptake mechanism and potential translocation of the cell-bound nanoparticles from the apical to the basolateral side of the cells has to be studied further in order to elucidate the potential of WGA-PLGA-NP for the peroral administration of highly potent drugs.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
PLGA nanoparticle WGA cytoadhesion cytoinvasion
Schlagwörter
(Deutsch)
PLGA Nanopartikel WGA Cytoadhesion Cytoinvasion
Autor*innen
Adina Katharina Ilyes
Haupttitel (Englisch)
Interaction of bioadhesive nanoparticles with an artificial intestinal epithelium
Paralleltitel (Deutsch)
Wechselwirkung von bioadhesiven Nanopartikeln mit einem künstlichen Darmepithel
Publikationsjahr
2009
Umfangsangabe
52 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Michael Wirth
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.03 Methoden und Techniken in den Naturwissenschaften ,
58 Chemische Technik > 58.28 Pharmazeutische Technologie
AC Nummer
AC07817479
Utheses ID
5438
Studienkennzahl
UA | 449 | | |