Detailansicht

Feasibility studies for development of specific re-loadable binding sites for drug delivery systems immobilized onto implant surfaces

Haifa Al-Dubai

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Fritz Pittner

Volltext herunterladen
Volltext in Browser öffnen

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30025.59234.448963-3

Link zu u:search

(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Ziel dieser Dissertation war die Entwicklung eines neuartigen biokompatiblen Beschichtungssystems für medizinische Implantatmaterialien, die Bindungsstellen für bioabbaubare, mit Wirkstoffen beladene Nanopartikel (Drug Carriers) tragen. Diese Wirkstoffe werden während des Abbaus der Drug Carriers dort kontrolliert freigesetzt. Nach dem Abbau der Partikel sind diese Bindungsstellen wieder frei um mit neuen Drug-Carriers beladen zu werden. Zum Erreichen dieses Ziels wurden als Testsystem die Implantatmaterialien Edelstahl und Zirkon-Keramik verwendet. Zur Verbesserung der Biokompatibilität wurde ein sogenanntes Passivcoating mit Polymeren wie z.B. dem medizinisch zugelassenen Polyethylenglykol (PEG) aufgebracht, um eine Schutzschicht zu bilden. Außerdem wurde ein geeignetes Rezeptorsystem zu verankert, das in der Lage ist, biodegradable mit Wirkstoffen beladene Mikro- oder Nanopartikel (Drug Carriers) zu binden, um eine lokale pharmakologische Wirkung zu erzielen (Aktives Coating). Zu diesem Zweck wurden spezielle Antikörper bzw. auch Antikörper-Fragmente als Capture-Moleküle an die Oberfläche des Implantatmaterials gebunden. Zur Herstellung der Drug Carriers wurden sowohl ein Copolymer aus Milch- und Glycolsäure (PLGA) als auch Chitosan verwendet. Die Drug Carriers werden dann entweder durch Hydrolyse oder mit Hilfe von Enzymen im Blut (Hydrolyse für PLGA, Lysozym für Chitosan) abgebaut und setzten die in ihnen enthaltenen Wirkstoffe lokal frei. Nach dem vollständigen Bioabbau liegen die Capture-Moleküle wieder frei vor und können mit neuen Drug Carriers beladen werden, womit ein vollkommen neuartiges System für Wirkstoffabgabe von medizinischen Implantaten zur Verfügung steht. Solche Beschichtungen können die Basis für eine Vielzahl von Anwendungen sein, die eine gezielte Wirkstoffabgabe an der Grenzfläche zwischen Implantat und gesundem Gewebe erfordern. Bei Bedarf können die Drug Carriers in die Blutbahn injiziert werden, binden an das Rezeptorsystem auf der Implantatoberfläche und setzen im Zuge ihres Abbaus die Wirkstoffe frei. Da sie mit unterschiedlichen Wirkstoffen beladen werden können, ermöglichen sie eine patientenspezifische Anpassung der Medikation, aber auch die Gabe von Wirkstoffen, die sonst zu rasch abbaubar oder schwierig zu dosieren wären. Der analytische Nachweis des erfolgreichen chemischen Setups mit Hilfe optischer Methoden erwies sich als schwierig auf Grund von Quenching Effekten im Fall von Metall bzw. wegen der rauen Oberfläche bei Zirkon (Keramik). Daher wurde die spezifische Bindung der Nanopartikel an der Implantatoberfläche an Glasoberflächen mit gleicher chemischer Beschichtung mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie getestet. Außerdem mussten für den Nachweis des erfolgreichen chemischen Aufbaus und der biorecognitiven Bindung verschiedene neue analytische Tests entwickelt und evaluiert werden. Ein schwieriges Problem, das in dieser Arbeit gelöst werden musste, war das Finden eines brauchbaren Biorekognitionssystems für das Binden der biokompatiblen Drug Carrier Nanopartikel. Es braucht spezielle Lösungsansätze, um Antikörperbildung gegen biokompatible Materialien zu induzieren. Im Fall von Chitosan, waren Antikörper kommerziell erhältlich, während für PLGA ein sehr stringentes Immunisierungsprotokoll in Kaninchen entwickelt werden und auch Probleme hinsichtlich Reinigung und Titerbestimmung gelöst werden mussten. Durch die durchgeführten Experimente war es möglich ein „Proof of concept“ für ein wiederbeladbares Targeting-system zur lokalen Medikamentenfreisetzung an Oberflächen zu geben. Dieses neuartige System ist eine Basis für ein breites Anwendungsgebiet in der regenerativen Medizin wie z.B. Stents, artifizielle Knochenimplantate und andere künstliche Gewebe, die eine lokale und kontrollierte Medikamentenfreisetzung an der Grenzfläche zwischen Implantat und gesundem Gewebe benötigen. Das Drug-Delivery System schützt die eingeschlossenen Wirkstoffe vor vorzeitigem Abbau – wichtig z.B. bei Wachstumsfaktoren und Immunsuppressiva und erleichtert auch den Transport von schwer absorbierbaren oder schwer löslichen Wirkstoffen zum erwünschten Wirkort. Dank der hohen lokalen Wirkstoffkonzentration wird die Absorption schwerlöslicher Substanzen verbessert, wodurch unerwünschte systemische Nebenwirkungen vermindert werden können.

Abstract

(Englisch)

The overall objective of this thesis is to develop novel, bio-compatible coatings for medical implant materials with binding sites for bio-degradable nanoparticles that may serve as drug carriers. The drugs are released gradually during decomposition and after particle degradation the binding sites can be reloaded with new drug delivering particles. To achieve this goal, we used stainless-steel and zirconia as test implant materials. To improve biocompatibility of these materials a so called “passive coating” procedure is used where biocompatible polymers such as polyethyleneglycol (PEG) act as a barrier. Furthermore a specific receptor system was introduced for binding drug containing biodegradable nano- or micro-particles to mediate local pharmacological activity, the so called active coating. For this purpose specific antibodies or antibody-fragments were generated and coupled to the implant material surface as capture molecules for the drug releasing particles. Poly (D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) and chitosan were used to produce these biodegradable nanoparticles. The particles are then degraded either by hydrolysis or by means of enzymes circulating in the bloodstream (mere hydrolysis for PLGA and lysozyme for chitosan) while releasing the drugs locally. After complete biodegradation the receptor system is then free again for reloading with new particles containing the respective drugs, making this a completely new mean of drug administration on medical implants. Such coatings can be the basis for a number of applications that require controlled, local drug delivery at the interface between an implant and healthy tissue. Upon the need for medication, drug-loaded nanoparticles can be injected into the bloodstream, bind to the particle-specific antibodies on the target implant and gradually release their drug content during degradation. As nanoparticles can be loaded with different drugs, this technology allows easy adjustment to patient-specific medication needs as well as the administration of compounds that are easily degradable or difficult to dose. Analytical proofs of principle on these materials have proved to be difficult, as the currently available optical methods for testing the successful chemical setup could not be applied because of quenching effects on metal surfaces and the rough surface of zirconia (ceramics). Therefore specific binding of the nanoparticles onto the implant surface was tested on glass substrates, coated similarly as the implant materials, by means of fluorescence microscopy. Furthermore for proof of the successful chemical setup and biorecognitive binding several new analytical test methods had to be developed and evaluated. One of the major challenges we had to overcome was to find suitable biorecognitive systems for binding of the drug containing particles, as these have to be biocompatible too. Special efforts were made to identify and generate specific antibodies against biocompatible materials. In case of chitosan, antibodies were commercially available, whereas for PLGA a very stringent immunisation protocol had to be developed for antibody production in rabbits, in addition to optimization of the purification and titer determination protocols. Using these tools, we were able to perform specific experiments that demonstrate a proof of concept for the possibility to generate a reloadable targeting device for local drug release and potential of our approach in targeted drug delivery and release. This new system provides the basis for a wide array of applications in regenerative medicine such as stents, implants of artificial bones and other artificial tissues, requiring local drug action at the interface between an implant and healthy tissue in a controlled manner. The delivery system protects the incorporated drugs from degradation prior to action e.g. growth factors and immunosuppressives, and facilitates the transport of poorly absorbable or insoluble drug candidates to the intended site of action. Due to the high local drug concentration, the absorption rate of poorly soluble drug molecules will be improved, which would significantly reduce undesired, adverse systemic effects. Furthermore after implantation also a change of drugs is possible, as with each reloading procedure appropriate drugs according to patients needs may be chosen.

Autor*innen

Haifa Al-Dubai

Haupttitel (Englisch)

Feasibility studies for development of specific re-loadable binding sites for drug delivery systems immobilized onto implant surfaces

Paralleltitel (Deutsch)

Studien zur Entwicklung von spezifischen und wiederbeladbaren Bindungsstellen zur Medikamenten-Freisetzung auf Implantat-Oberflächen

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

246 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Franz Gabor ,

Maria Jose Alonso

Klassifikationen

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges ,

44 Medizin > 44.42 Pharmazeutische Chemie

AC Nummer

AC08202378

Utheses ID

8614

Studienkennzahl

UA | 091 | 441 | |

Detailansicht

Abstracts

Schlagwörter