External signal-activated liposomal drug delivery systems

Modern drug discovery gives rise to a great number of potential new therapeutic agents, but in some cases the efficient treatment of patient may not be achieved because the delivery of active compounds to the target site is insufficient. Thus, drug delivery is one of the major challenges in current pharmaceutical research. Numerous nanoparticle-based drug carriers, e.g. liposomes, have been developed for enhanced drug delivery and targeting. Drug targeting may enhance the efficiency of the treatment and, importantly, reduce unwanted side effects by decreasing drug distribution to non-target tissues. Liposomes are biocompatible lipid-based carriers that have been studied for drug delivery during the last 40 years. They can be functionalized with targeting ligands and sensing materials for triggered activation. In this study, various external signal-assisted liposomal delivery systems were developed. Signals can be used to modulate drug permeation or release from the liposome formulation, and they provide accurate control of time, place and rate of activation. The study involved three types of signals that were used to trigger drug permeation and release: electricity, heat and light. Electrical stimulus was utilized to enhance the permeation of liposomal DNA across the skin. Liposome/DNA complex-mediated transfections were performed in tight rat epidermal cell model. Various transfection media and current intensities were tested, and transfection efficiency was evaluated non-invasively by monitoring the concentration of secreted reporter protein in cell culture medium. Liposome/DNA complexes produced gene expression, but electrical stimulus did not enhance the transfection efficiency significantly. Heat-sensitive liposomal drug delivery system was developed by coating liposomes with biodegradable and thermosensitive poly(N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide-mono/dilactate polymer. Temperature-triggered liposome aggregation and contents release from liposomes were evaluated. The cloud point temperature (CP) of the polymer was set to 42 °C. Polymer-coated liposome aggregation and contents release were observed above CP of the polymer, while non-coated liposomes remained intact. Polymer precipitates above its CP and interacts with liposomal bilayers. It is likely that this induces permeabilization of the liposomal membrane and contents release. Light-sensitivity was introduced to liposomes by incorporation of small (< 5 nm) gold nanoparticles. Hydrophobic and hydrophilic gold nanoparticles were embedded in thermosensitive liposomes, and contents release was investigated upon UV light exposure. UV light-induced lipid phase transitions were examined with small angle X-ray scattering, and light-triggered contents release was shown also in human retinal pigment epithelial cell line. Gold nanoparticles absorb light energy and transfer it into heat, which induces phase transitions in liposomes and triggers the contents release. In conclusion, external signal-activated liposomes offer an advanced platform for numerous applications in drug delivery, particularly in the localized drug delivery. Drug release may be localized to the target site with triggering stimulus that results in better therapeutic response and less adverse effects. Triggering signal and mechanism of activation can be selected according to a specific application.

Kohdennetut liposomit syövän hoidossa

Suurin ongelma syöpätautien lääkehoidossa on sen aiheuttamat toksiset sivuvaikutukset. Tyypillisesti vain noin 1 % elimistöön annostellusta lääkeaineesta saavuttaa hoitoa tarvitsevat syöpäsolut, loppuosa lääkeaineesta jää vahingoittamaan elimistön terveitä soluja. Toksiset sivuvaikutukset rajoittavat lääkehoidon annoksen nostamista elimistössä riittävälle pitoisuudelle, mikä johtaa usein sairauden ennenaikaiseen pahenemiseen ja mahdollisen lääkeaineresistenssin kehittymiseen. Liposomien välittämä lääkeaineen kohdentaminen voidaan jakaa kahteen eri menetelmään: passiiviseen ja aktiiviseen kohdentamiseen. Liposomien passiivisen kohdentamisen tarkoituksena on lisätä sytotoksisen lääkeaineen paikallistumista pelkästään kasvainkudokseen. Passiivinen kohdentaminen perustuu liposomien kulkeutumiseen verenkierron mukana, jolloin liposomit kerääntyvät epänormaalisti muodostuneeseen kasvainkudokseen. Liposomien aktiivisella kohdentamisella pyritään parantamaan passiivisesti kohdentuvien liposomien terapeuttista tehokkuutta kohdentamalla lääkeaineen vaikutus pelkästään syöpäsoluihin. Aktiivisessa kohdennuksessa liposomin pintaan kiinnitetään ligandi, joka spesifisesti tunnistaa kohdesolun. Tämän pro gradu -tutkielman kirjallisen osion tarkoituksena oli tutustua syöpäkudokseen kohdennettujen liposomien ominaisuuksiin tehokkaan soluunoton ja sytotoksisuuden saavuttamiseksi. Kokeellisessa osiossa tutkittiin kohdennettujen liposomien soluunottoa ja sytotoksista vaikutusta ihmisen munasarjasta eristetyillä adenokarsinoomasoluilla (SKOV-3). Liposomit kohdennettiin setuksimabi (C225, Erbitux®) vasta-aineella, jonka on todettu olevan tietyissä syöpätyypeissä (mm. keuhko- ja kolorektaalisyövissä, pään ja kaulan syövissä sekä rinta-, munuais-, eturauhas-, haima- ja munasarjasyövissä) yli-ilmentyneen epidermaalisen kasvutekijäreseptoriperheen HER1-proteiinin (ErbB-1, EGFR, epidermal growth factor receptor) spesifinen ja selektiivinen inhibiittori. Afrikan viherapinan munuaisista lähtöisin olevaa CV-1 solulinjaa käytettiin kontrollina kuvaamaan elimistön normaaleja soluja. Kohdennettujen liposomien soluunottoa tutkittiin soluunottokokeilla, joissa käytettiin kontrollina kohdentamattomia pegyloituja liposomeja. Setuksimabi-vasta-aineen spesifinen sitoutuminen EGF-reseptoriin todettiin kilpailutuskokeilla. Doksorubisiinia sisältävien immunoliposomien sytotoksisuutta selvitettiin Alamar Blue™ -elävyystestillä. Lisäksi immunoliposomien säilyvyyttä seurattiin mittaamalla liposomien keskimääräinen halkaisija noin kahden viikon välein. Setuksimabi-vasta-aineella kohdennettujen liposomien soluunotto oli huomattavasti suurentunut SKOV-3 syöpäsoluissa ja doksorubisiinia sisältävät kohdennetut liposomit aiheuttivat voimakkaamman sytotoksisen vaikutuksen kuin kohdentamattomat liposomit. Kohdennettujen doksorubisiiniliposomien sytotoksisuus tuli kuitenkin esille viiveellä, mikä viittaa lääkeaineen hitaaseen vapautumiseen liposomista. Suurentunutta soluunottoa ja sytotoksista vaikutusta ei havaittu CV-1 solulinjassa. Kohdennettujen liposomien sovellusmahdollisuudet lääketieteessä ja syövän hoidossa ovat merkittävät. Tällä hetkellä liposomien kliininen käyttö rajoittuu passiivisesti kohdennettuihin liposomeihin (Doxil® (Am.),Caelyx® (Eur.)). Lupaavista solukokeista huolimatta kohdennettujen liposomien terapeuttinen käyttö tulevaisuudessa näyttää haasteelliselta.

Phospholipid cytochrome c interactions

The ability of the peripherally associated membrane protein cytochrome c (cyt c) to bind phospholipids in vitro was studied using fluorescence spectroscopy and large unilamellar liposomes. Previous work has shown that cyt c can bind phospholipids using two distinct mecha- nisms and sites, the A-site and the C-site. This binding is mediated by electrostatic or hydrophobic interactions, respectively. Here, we focus on the mechanism underlying these interactions. A chemically modified cyt c mutant Nle91 was used to study the ATP-binding site, which is located near the evolutionarily invariant Arg 91 on the protein surface. This site was also demonstrated to mediate phospholipid binding, possibly by functioning as a phospholipid binding site. Circular dichroism spectroscopy, time resolved fluorescence spectroscopy of zinc- porphyrin modified [Zn2+-heme] cyt c and liposome binding studies of the Nle91 mutant were used to demonstrate that ATP induces a conformational change in membrane- bound cyt c. The ATP-induced conformational changes were mediated by Arg 91 and were most pronounced in cyt c bound to phospholipids via the C-site. It has been previously reported that the hydrophobic interaction between phospho- lipids and cyt c (C-site) includes the binding of a phospholipid acyl chain inside the protein. In this mechanism, which is known as extended phospholipid anchorage, the sn-2 acyl chain of a membrane phospholipid protrudes out of the membrane surface and is able to bind in a hydrophobic cavity in cyt c. Direct evidence for this type of bind- ing mechanism was obtained by studying cyt c/lipid interaction using fluorescent [Zn2+- heme] cyt c and fluorescence quenching of brominated fatty acids and phospholipids. Under certain conditions, cyt c can form fibrillar protein-lipid aggregates with neg- atively charged phospholipids. These aggregates resemble amyloid fibrils, which are involved in the pathogenesis of many diseases. Congo red staining of these fibers con- firmed the presence of amyloid structures. A set of phospholipid-binding proteins was also found to form similar aggregates, suggesting that phospholipid-induced amyloid formation could be a general mechanism of amyloidogenesis.

Berry phenolics: isolation, analysis, identification, and antioxidant properties

The main objectives in this thesis were to isolate and identify the phenolic compounds in wild (Sorbus aucuparia) and cultivated rowanberries, European cranberries (Vaccinium microcarpon), lingonberries (Vaccinium vitis-idaea), and cloudberries (Rubus chamaemorus), as well as to investigate the antioxidant activity of phenolics occurring in berries in food oxidation models. In addition, the storage stability of cloudberry ellagitannin isolate was studied. In wild and cultivated rowanberries, the main phenolic compounds were chlorogenic acids and neochlorogenic acids with increasing anthocyanin content depending on the crossing partners. The proanthocyanidin contents of cranberries and lingonberries were investigated, revealing that the lingonberry contained more rare A-type dimers than the European cranberry. The liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS) analysis of cloudberry ellagitannins showed that trimeric lambertianin C and sanguiin H-10 were the main ellagitannins. The berries, rich in different types of phenolic compounds including hydroxycinnamic acids, proanthocyanidins, and ellagitannins, showed antioxidant activity toward lipid oxidation in liposome and emulsion oxidation models. All the different rowanberry cultivars prevented lipid oxidation in the same way, in spite of the differences in their phenolic composition. In terms of liposomes, rowanberries were slightly more effective antioxidants than cranberry and lingonberry phenolics. Greater differences were found when comparing proanthocyanidin fractions. Proanthocyanidin dimers and trimers of both cranberries and lingonberries were most potent in inhibiting lipid oxidation. Antioxidant activities and antiradical capacities were also studied with hydroxycinnamic acid glycosides. The sinapic acid derivatives of the hydroxycinnamic acid glycosides were the most effective at preventing lipid oxidation in emulsions and liposomes and scavenging radicals in DPPH assay. In liposomes and emulsions, the formation of the secondary oxidation product, hexanal, was inhibited more than that of the primary oxidation product, conjugated diene hydroperoxides, by hydroxycinnamic acid derivatives. This indicates that they are principally chain-breaking antioxidants rather than metal chelators, although they possess chelating activity as well. The storage stability test of cloudberry ellagitannins was performed by storing ellagitannin isolate and ellagitannins encapsulated with maltodextrin at different relative vapor pressures. The storage stability was enhanced by the encapsulation when higher molecular weight maltodextrin was used. The best preservation was achieved when the capsules were stored at 0 or 33% relative vapor pressures. In addition, the antioxidant activities of encapsulated cloudberry extracts were followed during the storage period. Different storage conditions did not alter the antioxidant activity, even though changes in the ellagitannin contents were seen. The current results may be of use in improving the oxidative stability of food products by using berries as natural antioxidants.

Kohdennetut nanopartikkelit ja isotooppikuvantaminen syövän hoidossa

Syövän diagnostiikassa ja hoidossa nanopartikkelit voivat toimia kuljetinaineina lääke- ja diagnostisille aineille tai nukleiinihappojaksoille. Kantaja-aineeseen voidaan liittää kohdennusmolekyylejä partikkelien passiivista tai aktiivista kohdennusta varten tai radioleima kuvantamista tai radioterapiaa varten. Kantaja-aineiden avulla voidaan parantaa lääkeaineen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia ja biologista hyötyosuutta, vähentää systeemisiä sivuvaikutuksia, pidentää lääkeaineen puoliintumisaikaa ja siten harventaa annosteluväliä, sekä parantaa lääkeaineen pääsyä kohdekudokseen. Näin voidaan parantaa kemo- ja radioterapian tehoa ja hoidon onnistumisen todennäköisyyttä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään nanokantajien rooliin syövän hoidossa. Vuosikymmeniä jatkuneesta tutkimuksesta huolimatta vain kaksi (Eurooppa) tai kolme (Yhdysvallat) nanopartikkeliformulaatiota on hyväksytty markkinoille syövän hoidossa. Ongelmina ovat riittämätön hakeutuminen kohdekudokseen, immunogeenisyys ja nanopartikkelien labiilius. Kokeellisessa osassa tutkitaan in vitro ja hiirillä in vivo 99mTc-leimattujen, PEG-verhoiltujen biotiiniliposomien kaksivaiheista kohdennusta ihmisen munasarjan adenokarsinoomasoluihin. Kohdentamiseen käytetään biotinyloitua setuksimabi-(Erbitux®) vasta-ainetta, joka sitoutuu solujen yli-ilmentämiin EGF-reseptoreihin. Kaksivaiheista kohdennusta verrataan suoraan ja/tai passiiviseen kohdennukseen. Tehokkaampien kuvantamismenetelmien kehitys on vauhdittanut kohdennettujen nanopartikkelien tutkimusta. Isotooppikuvantamista käyttäen pystytään seuraamaan radioleiman jakautumista elimistössä ja kuvantamaan solutasolla tapahtuvia ilmiöitä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään SPECT- ja PET-kuvantamiseen syövän hoidossa, sekä niiden hyödyntämiseen lääkekehityksessä nanopartikkelien kuvantamisessa. Kyseiset kuvantamismenetelmät erottuvat muista menetelmistä korkean erotuskyvyn, herkkyyden ja helppokäyttöisyyden suhteen. Kokeellisessa osassa 99mTc-leimattujen liposomien distribuutiota hiirissä tutkittiin SPECT-CT-laitteen avulla. Aktiivisuus kasvaimessa, pernassa ja maksassa kvantifioitiin InVivoScope-ohjelman ja gammalaskijan avulla. Tuloksia verrattiin keskenään. In vitro-kokeessa saavutettiin kaksivaiheisella kohdennuksella 2,7- 3,5-kertainen (solulinjasta riippuen) hakeutuminen soluihin kontrolliliposomeihin verrattuna. Kuitenkin suora kohdennus toimi kaksivaiheista kohdennusta paremmin in vitro. In vivo –kokeissa liposomit jakautuivat kasvaimeen tehokkaammin i.p.-annosteltuna kuin i.v.-annosteltuna. Kaksivaiheisella kohdennuksella saavutettiin 1,24-kertainen jakautuminen kasvaimeen (% ID/g kudosta) passiivisesti kohdennettuihin liposomeihin verrattuna. %ID/elin oli kohdennetuilla liposomeilla 5,9 % ja passiivisesti kohdennetuilla 5,4%. Todellinen ero oli siis pieni. InVivoScope:n ja gammalaskijan tulokset eivät korreloineet keskenään. Lisätutkimuksia ja menetelmän optimointia vaaditaan liposomien kohdennuksessa kasvaimeen.