Interaktions- und Aggregationsverhalten von Nanopartikeln in Blutserum

Das Interesse an nanopartikulären Wirkstoffsystemen steigt sowohl auf universitärer als auch auf industrieller Seite stetig an. Da diese Formulierungen meist intravenös verabreicht werden, kommt es folglich zu einem direkten Kontakt der Nanopartikel mit den Blutbestandteilen. Adsorption von Plasma Proteinen kann eine deutliche Veränderung der charakteristischen Eigenschaften des Systems induzieren, was dann Wirkungsweise sowie Toxizität stark beinflussen kann. Derzeit findet die Charakterisierung nanopartikulärer Wirkstoffsysteme vor der in vivo Applikation in Pufferlösungen mit physiologischem Salzgehalt statt, es ist jedoch kaum etwas bekannt über deren Wechselwirkungen mit komplexen Proteinmischungen wie sie im Blutserum oder –plasma vorliegen. rnMittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) wurde eine einfache und reproduzierbare Methode entwickelt um die Aggregatbildung zwischen Nanopartikeln, Polymeren oder verschiedenen Wirkstoff-Konjugaten in humanem Blutserum zu untersuchen. Die Anwendbarkeit dieser Methode wurde durch Untersuchung verschiedener potentieller Nanotherapeutika (z.B. Polystyrol-Nanokapseln, Liposomen, amphiphile Blockcopolymere und Nanohydrogele) bezüglich ihrer Aggregation in humanem Blutserum mittels DLS gezeigt und teilweise mit aktuellen in vivo Experimenten verglichen. rnDarüber hinaus wurden größeneinheitliche Liposomen, basierend auf Disteraoylphosphatidylcholin, Cholesterol und einem Spermin-Tensid, hergestellt. Die Einkapselung von siRNA ist, je nach Präparationsmethode, mit Einkapselungseffizienzen von 40-75% möglich. Nach detaillierter Charakterisierung der Liposomen wurden diese ebenfalls bezüglich ihres Aggregationsverhaltens in humanem Blutserum untersucht. Unbeladene Liposomen aggregieren nicht mit Komponenten des Serums. Je nach Beladungsprotokoll können aggregierende sowie nicht aggregierende Liposomen-siRNA Komplexe hergestellt werden. rnWeiterhin wurden, zur Identifikation der Aggregation induzierenden Serumkomponenten, verschiedenen Serumsfraktionierungstechniken erfolgreich angewendet. Albumin, IgG, und Lipoproteine (VLDL, LDL) sowie verschiedene Proteinmischungen konnten isoliert und für weitere Aggregationsstudien mittels DLS verwendet werden. Für einige ausgesuchte Systeme konnten die Interaktionspartner identifiziert werden. rnDie Korrelation des Aggregationsverhaltens mit den strukturellen sowie funktionellen Eigenschaften der untersuchten Nanopartikel führt zu dem generellen Ergebnis, dass leicht negativ und leicht positiv bis neutrale Partikel eine geringe Tendenz zur Aggregation in Serum haben. Auch zwitterionische Substanzen zeigen eine hohe Serumstabilität. Hingegen aggregieren stark positiv und negativ geladene Partikel vermehrt.rn

Polymeric drug delivery systems are at the forefront of gene therapy and cancer research. Predominantly administered intravenously, adsorption of plasma proteins onto the polymeric surface can lead to physical changes in the formulations that include aggregation and charge neutralization. At present, the characterization of polymeric drug delivery systems is mostly done in physiological salt solutions prior to animal tests, but there is little known on the interaction with complex protein mixtures occurring at high concentrations in blood serum and plasma. rnOn the basis of DLS, an easy and reproducible procedure was developed to sensitively detect and quantify aggregate formation between nanoparticles, polymers, or various drug conjugates and blood serum. To explore the power of DLS as a method to evaluate the suitability of nanoparticles for “in vivo” experiments several groups of potential therapeutic polymers (e.g. polystyrene nanoparticles, liposomes, amphiphilic blockcopolymers and nanohydrogels) were investigated with DLS and the results were exemplarily compared with actual “in vivo” experiments.rnIn addition liposomes with narrow size distribution based on distereoylphosphatidylcholine, cholesterol and a spermine-surfactant were prepared. In these liposomes siRNA can be encapsulated with an encapsulation efficiency of 40-75 % depending on the preparation method. After detailed characterization liposomes were studied according to their aggregation behavior in human serum. Unloaded liposomes are stable against aggregation in human serum. After siRNA complexation the aggregation behavior depends on the preparation method.rnFor identification of aggregation inducing serum components, different serum fractionation techniques were successfully applied. Albumin, IgG and lipoprotein solutions, as well as low abundant serum protein mixtures were isolated and utilized for further aggregation studies via DLS. The correlation of the aggregation behavior with the structural and functional properties of the investigated systems leads to the general result, that slightly charged to neutral systems, as well as hydrophilic surfaces are showing the least aggregation behavior, while highly charged, positive and negative, tend to induce strong serum aggregation. rn