Stable assemblies of cationic bilayer fragments and CpG oligonucleotide with enhanced immunoadjuvant activity in vivo

The cationic lipid dioctadecyldimethylammonium bromide (DODAB) and the CpG oligonucleotide (CpG) have been separately used as potent immunoadjuvants driving Th1 responses. Here DODAB bilayer fragments (BF) and CpG (5 -TTGACGTTCG-3) assemblies have their physical properties and immunoadjuvant activity determined using ovalbumin (OVA) as a model antigen. At 0.1 mg/mL OVA, the dependence of DODAB BF/OVA size and zeta-potential on time and [DODAB] establishes 0.1 mMDODAB as suitable for obtaining stable and cationic DODAB BF/OVA assemblies. At 0.1 mMDODAB, 0.1 mg/mL OVA and 0.006 mMCpG, the zeta-potential is zero. At [CpG]>0.006 mM, good colloidal stability for the anionic assemblies is due to charge overcompensation. At 0.020 mM CpG, these DODAB BF/OVA/CpG assemblies are highly effective in vivo generating responses similar to those elicited by the stable and cationic DODAB BF/OVA. The anti-OVA DTH reaction and the secretion of IFN-gamma and IL-12 are 6, 42 and 9 times larger for the DODAB BF/OVA/CpG-immunized mice than the same responses by OVA-immunized mice, respectively. This work shows for the first time that charge of small assemblies is not important to determine the immune response. (C) 2011 Elsevier B. V. All rights reserved.

Development of a recombinant fusion protein based on the dynein light chain LC8 for non-viral gene delivery

The low efficiency of gene transfer is a recurrent problem in DNA vaccine development and gene therapy studies using non-viral vectors such as plasmid DNA (pDNA). This is mainly due to the fact that during their traffic to the target cell's nuclei, plasmid vectors must overcome a series of physical, enzymatic and diffusional barriers. The main objective of this work is the development of recombinant proteins specifically designed for pDNA delivery, which take advantage of molecular motors like dynein, for the transport of cargos from the periphery to the centrosome of mammalian cells. A DNA binding sequence was fused to the N-terminus of the recombinant human dynein light chain LC8. Expression studies indicated that the fusion protein was correctly expressed in soluble form using E. coli BL21(DE3) strain. As expected, gel permeation assays found the purified protein mainly present as dimers, the functional oligomeric state of LC8. Gel retardation assays and atomic force microscopy proved the ability of the fusion protein to interact and condense pDNA. Zeta potential measurements indicated that LC8 with DNA binding domain (LD4) has an enhanced capacity to interact and condense pDNA, generating positively charged complexes. Transfection of cultured HeLa cells confirmed the ability of the LD4 to facilitate pDNA uptake and indicate the involvement of the retrograde transport in the intracellular trafficking of pDNA: LD4 complexes. Finally, cytotoxicity studies demonstrated a very low toxicity of the fusion protein vector, indicating the potential for in vivo applications. The study presented here is part of an effort to develop new modular shuttle proteins able to take advantage of strategies used by viruses to infect mammalian cells, aiming to provide new tools for gene therapy and DNA vaccination studies. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Photoreactive polyorganosiloxane nanoparticles and the fabrication of photocleavable microcapsules

In this thesis, we have presented the preparation of highly crosslinked spherical photoreactive colloidal particles of radius about 10 nm based on the monomer trimethoxysilane. These particles are labeled chemically with two different dye systems (coumarin, cinnamate) which are known to show reversible photodimerization. By analyzing the change in particle size upon UV irradiation with dynamic light scattering, we could demonstrate that the partially reversible photoreaction in principle can be utilized to control increase and decrease of colloidal clusters. Here, selection of the appropriate wavelengths during the irradiation employing suitable optical filters proved to be very important. Next, we showed how photocrosslinking of our nanoparticles within the micrometer-sized thin oil shell of water-oil-water emulsion droplets leads to a new species of optically addressable microcontainers. The inner water droplet of these emulsions may contain drugs, dyes or other water-soluble components, leading to filled containers. Thickness, mechanical stability and light resistance of the container walls can be controlled in a simple way by the amount and adjustable photoreactivity (= No. of labels/particle) of the nanoparticles. Importantly, the chemical bonds between the nanoparticles constituting the microcapsule shell can be cleaved photochemically by irradiation with uv light. An additional major advantage is that filling our microcapsules with water-soluble substrate molecules is extremely simple using a solution of the guest molecules as inner water phase of the W/O/W-emulsion. This optically controlled destruction of our microcontainers thus opens up a pathway to controlled release of the enclosed components as illustrated by the example of enclosed cyclodextrin molecules.

Sprühgetrocknete Polylaktid, Poly(laktid-co-glykolid) Mikropartikel zur Steuerung der Freisetzung aus pulmonalen Arzneiformen

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, pharmazeutisch-technologische Möglichkeiten der Retardierung bei ausgewählten Antiasthmatika zur pulmonalen Applikation anzuwenden. Dafür sollten Mikropartikel hergestellt und pharmazeutisch sowie biopharmazeutisch charakterisiert werden. Als Modellsubstanzen werden das Glukokortikoid Budesonid und das β2-Sympathomimetikum Salbutamol in Form seiner Base und seines Salzes verwendet. Die Auswahl erfolgt nach physikochemischen (Lipophilie, Molekulargewicht) und therapeutischen (Halbwertszeit der Wirkung, Applikationsfrequenz) Gesichtspunkten. Mikropartikel auf Polymerbasis ermöglichen eine kontrollierte Freigabe der Arzneistoffe über einen vorausbestimmten Zeitraum. Es erfolgt die Auswahl physiologisch unbedenklicher Hilfsstoffe (Polylaktide R 202H/ Poly(laktid-co-glykolide) RG 502H, RG 752-S) mit unterschiedlichen Anteilen an Coglykolid sowie unterschiedlichen Molekulargewichten, die sich prinzipiell zur Verzögerung der Freisetzung eignen und sich bei der parenteralen Applikation bereits bewährt haben. Die Sprühtrocknung wird als geeignetes pharmazeutisch-technologisches Verfahren zur Präparation von Mikropartikeln im Teilchengrößenbereich von 1- 10 Mikrometern beschrieben, welche den Wirkstoff mit möglichst hoher Beladung verkapselt. Die sprühgetrockneten Pulver sollen pharmazeutisch physikochemisch mittels Rasterelektronenmikroskopie (Morphologie), Laserdiffraktometrie (Teilchengrößenverteilung), DSC und Röntgenpulverdiffraktometrie (thermisches Verhalten) und mittels Stickstoff-Tief-Temperatur Adsorptionsverfahren (spezifische Oberfläche) charakterisiert werden. Zusätzlich wird die Wirkstoffbeladung der sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikel mittels HPLC ermittelt. Die biopharmazeutische Charakterisierung der sprühgetrockneten Pulver erfolgt über die in-vitro Freigabekinetik und die Stabilität der Mikropartikel. Zusätzlich werden Versuche an Zellkulturen und in-vivo Versuche an Mäusen durchgeführt, um die Effekte der sprühgetrockneten Mikropartikel und des Hilfsstoffs hinsichtlich der Freisetzungsretardierung zu testen. Bei den in-vivo Versuchen werden der Atemwegswiderstand und die Verlängerung der exspiratorischen Phase (penh) als Parameter für einen antiasthmatischen Effekt gewählt. Die Lungenlavage Flüssigkeit wird zusätzlich überprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass es mit Hilfe der Sprühtrocknung möglich ist, Polymer-Mikropartikel herzustellen, die aufgrund ihrer Partikelgröße von d50 ≤ 5,8 µm fähig sind, die unteren Abschnitte der Lunge zu erreichen. Die Morphologie der Mikropartikel ist abhängig vom zu versprühenden Produkt. Thermodynamisch und röntgenpulverdiffraktometrisch betrachtet handelt es sich um amorphe Produkte, die aber über lange Zeit in diesem Zustand stabil sind. Die Wiederfindung der eingesetzten Arzneistoffmenge in den sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikeln und die Freigabeversuche zur Charakterisierung der Retardierungseigenschaften der verwendeten Polymere ergeben, dass es mit Hilfe der Sprühtrocknung von Budesonid und Salbutamol mit den Polymeren möglich ist, retardierende Mikropartikel herzustellen. Die Wiederfindung von Budesonid und Salbutamol in den sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikeln entspricht nahezu der eingesetzten Menge. Bei Salbutamolsulfat ist dies nicht der Fall. In Zellkulturversuchen der murinen Zellinie RAW 264.7 ergaben sich Hinweise darauf, dass bei Konzentrationen von 10-6 M und 10-8 M, die Downregulation der IL-6 Konzentration durch die Sprüheinbettung von 9,1 % Budesonid mit PLGA in stärkerem Ausmaß erfolgte, als bei unverkapseltem Budesonid. Zusätzlich wurden in-vivo Versuche mit intranasaler und intraperitonealer Gabe durchgeführt. Die Budesonid-Polymer Sprüheinbettung wurde mit unverkapseltem Budesonid vergleichen. Nach intraperitonealer Gabe hatte die Sprüheinbettung mit Budesonid die besten Effekte hinsichtlich der Unterdrückung des penh und des Atemwegswiderstands auch bei steigenden Metacholinkonzentrationen. Die Auswertung der Lungenlavage Flüssigkeit zeigt sehr deutlich die Downregulation der IL-6 Konzentration in der Lunge durch die Sprüheinbettung mit Budesonid. Zur Zeit werden Vorbereitungen getroffen, ein Gerät zu testen, das in der Lage ist, ein Mikrospray zu generieren, so dass eine intratracheale Verabreichung möglich wäre.

Polymer properties measured by micromechanical cantilever technique

Surface stress changes induced by specific adsorption of molecules were investigated using a micromechanical cantilever sensor (MCS) device. 16 MCS are grouped within four separate wells. Each well can be addressed independently by different liquid enabling functionalization of MCS separately by flowing different solutions through each well and performing sensing and reference experiments simultaneously. In addition, each well contains a fixed reference mirror, which allows measuring the absolute bending of MCS. The effect of the flow rate on the MCS bending change was found to be dependent on the absolute bending value of MCS. In addition, the signal from the reference mirror can be used to follow refractive index changes upon mixing different solutions. Finite element simulation of solution exchange in wells was compared with experiment results. Both revealed that one solution can be exchanged by another one after a total volume of 200 µl has flown through. Using MCS, the adsorption of thiolated deoxyribonucleic acid (DNA) molecules and 6-mercapto-1-hexanol (MCH) on gold surfaces, and the DNA hybridization were performed. The nanomechanical response is in agreement with data reported by Fritz et al.1 Thus, the multiwell device is readily applicable for sensing of multiple chemical and biological recognition events in a single step. In this context controlled release and uptake of drugs are currently widely discussed. As a model system, we have used polystyrene (PS) spheres with diameters in the order of µm. The swelling behavior of individual PS spheres in toluene vapor was studied via mass loading by means of micromechanical cantilever sensors. For 4–8% cross-linked PS a mass increase of 180% in saturated toluene vapor was measured. In addition, the diameter change in saturated toluene vapor was measured and the corresponding volume increase of 200% was calculated. The mass of the swollen PS sphere decreases with increasing exposure time to ultraviolet (UV) light. The swelling response is significantly different between the first and the second exposure to toluene vapor. This is attributed to the formation of a cross-linked shell at the surface of the PS spheres. Shape persistent parts were observed for locally UV irradiated PS spheres. These PS spheres were found to be fluorescent and cracks occur after exposure in toluene liquid. The diffusion time of dye molecules in PS spheres increases with increasing chemical cross-linking density. This concept of locally dissolving non cross-linked PS from the sphere was applied to fabricate donut structures on surfaces. Arrays of PS spheres were fabricated using spin coating. The donut structure was produced simply after liquid solvent rinsing. The complete cross-linking of PS spheres was found after long exposure time to UV. We found that stabilizers play a major role in the formation of the donut nanostructures.

Novel etheroatom containing aliphatic polyesters for biomedical and environmental applications

Biodegradable polymers for short time applications have attracted much interest all over the world. The reason behind this growing interest is the incompatibility of the polymeric wastes with the environment where they are disposed after usage. Synthetic aliphatic polyesters represent one of the most economically competitive biodegradable polymers. In addition, they gained considerable attention as they combine biodegradability and biocompatibility with interesting physical and chemical properties. In this framework, the present research work focused on the modification by reactive blending and polycondensation of two different aliphatic polyesters, namely poly(butylene succinate) (PBS) and poly(butylene 1,4-cyclohexanedicarboxylate) (PBCE). Both are characterized by good thermal properties, but their mechanical characteristics do not fit the requirements for applications in which high flexibility is requested and, moreover, both show slow biodegradation rate. With the aim of developing new materials with improved characteristics with respect to the parent homopolymers, novel etheroatom containing PBS and PBCE-based fully aliphatic polyesters and copolyesters have been therefore synthesized and carefully characterized. The introduction of oxygen or sulphur atoms along the polymer chains, by acting on chemical composition or molecular architecture, tailored solid-state properties and biodegradation rate: type and amount of comonomeric units and sequence distribution deeply affected the material final properties owing, among all, to the hydrophobic/hydrophilic ratio and to the different ability of the polymer to crystallize. The versatility of the synthesized copolymers has been well proved: as a matter of fact these polymers can be exploited both for biomedical and ecological applications. Feasibility of 3D electrospun scaffolds has been investigated, biocompatibility studies and controlled release of a model molecule showed good responses. As regards ecological applications, barrier properties and eco-toxicological assessments have been conducted with outstanding results. Finally, the ability of the novel polyesters to undergo both hydrolytic and enzymatic degradation has been demonstrated under physiological and environmental conditions.

Analyse der intrazellulären Freisetzung von Wirkstoffmodellen via konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie man das Potential nanopartikulärer Systeme, die vorwiegend via Miniemulsion hergestellt wurden, im Hinblick auf „Drug Delivery“ ausnutzen könnte, indem ein Wirkstoffmodell auf unterschiedliche Art und Weise intrazellulär freigesetzt wurde. Dies wurde hauptsächlich mittels konfokaler Laser-Raster-Mikrokopie (CLSM) in Kombination mit dem Bildbearbeitungsprogramm Volocity® analysiert.rnPBCA-Nanokapseln eigneten sich besonders, um hydrophile Substanzen wie etwa Oligonukleotide zu verkapseln und sie so auf ihrem Transportweg in die Zellen vor einem etwaigen Abbau zu schützen. Es konnte eine Freisetzung der Oligonukleotide in den Zellen aufgrund der elektrostatischen Anziehung des mitochondrialen Membranpotentials nachgewiesen werden. Dabei war die Kombination aus Oligonukleotid und angebundenem Cyanin-Farbstoff (Cy5) an der 5‘-Position der Oligonukleotid-Sequenz ausschlaggebend. Durch quantitative Analysen mittels Volocity® konnte die vollständige Kolokalisation der freigesetzten Oligonukleotide an Mitochondrien bewiesen werden, was anhand der Kolokalisationskoeffizienten „Manders‘ Coefficients“ M1 und M2 diskutiert wurde. Es konnte ebenfalls aufgrund von FRET-Studien doppelt markierter Oligos gezeigt werden, dass die Oligonukleotide weder beim Transport noch bei der Freisetzung abgebaut wurden. Außerdem wurde aufgeklärt, dass nur der Inhalt der Nanokapseln, d. h. die Oligonukleotide, an Mitochondrien akkumulierte, das Kapselmaterial selbst jedoch in anderen intrazellulären Bereichen aufzufinden war. Eine Kombination aus Cyanin-Farbstoffen wie Cy5 mit einer Nukleotidsequenz oder einem Wirkstoff könnte also die Basis für einen gezielten Wirkstofftransport zu Mitochondrien liefern bzw. die Grundlage schaffen, eine Freisetzung aus Kapseln ins Zytoplasma zu gewährleisten.rnDer vielseitige Einsatz der Miniemulsion gestattete es, nicht nur Kapseln sondern auch Nanopartikel herzustellen, in welchen hydrophobe Substanzen im Partikelkern eingeschlossen werden konnten. Diese auf hydrophobe Wechselwirkungen beruhende „Verkapselung“ eines Wirkstoffmodells, in diesem Fall PMI, wurde bei PDLLA- bzw. PS-Nanopartikeln ausgenutzt, welche durch ein HPMA-basiertes Block-Copolymer stabilisiert wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das hydrophobe Wirkstoffmodell PMI innerhalb kürzester Zeit in die Zellen freigesetzt wurde und sich in sogenannte „Lipid Droplets“ einlagerte, ohne dass die Nanopartikel selbst aufgenommen werden mussten. Daneben war ein intrazelluläres Ablösen des stabilisierenden Block-Copolymers zu verzeichnen, welches rn8 h nach Partikelaufnahme erfolgte und ebenfalls durch Analysen mittels Volocity® untermauert wurde. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Partikelaufnahme oder die Freisetzung des Wirkstoffmodells. Ein großer Vorteil in der Verwendung des HPMA-basierten Block-Copolymers liegt darin begründet, dass auf zeitaufwendige Waschschritte wie etwa Dialyse nach der Partikelherstellung verzichtet werden konnte, da P(HPMA) ein biokompatibles Polymer ist. Auf der anderen Seite hat man aufgrund der Syntheseroute dieses Block-Copolymers vielfältige Möglichkeiten, Funktionalitäten wie etwa Fluoreszenzmarker einzubringen. Eine kovalente Anbindung eines Wirkstoffs ist ebenfalls denkbar, welcher intrazellulär z. B. aufgrund von enzymatischen Abbauprozessen langsam freigesetzt werden könnte. Somit bietet sich die Möglichkeit mit Nanopartikeln, die durch HPMA-basierte Block-Copolymere stabilisiert wurden, gleichzeitig zwei unterschiedliche Wirkstoffe in die Zellen zu bringen, wobei der eine schnell und der zweite über einen längeren Zeitraum hinweg (kontrolliert) freigesetzt werden könnte.rnNeben Nanokapseln sowie –partikeln, die durch inverse bzw. direkte Miniemulsion dargestellt wurden, sind auch Nanohydrogelpartikel untersucht worden, die sich aufgrund von Selbstorganisation eines amphiphilen Bock-Copolymers bildeten. Diese Nanohydrogelpartikel dienten der Komplexierung von siRNA und wurden hinsichtlich ihrer Anreicherung in Lysosomen untersucht. Aufgrund der Knockdown-Studien von Lutz Nuhn konnte ein Unterschied in der Knockdown-Effizienz festgestellt werden, je nach dem, ob 100 nm oder 40 nm große Nanohydrogelpartikel verwendet wurden. Es sollte festgestellt werden, ob eine größenbedingte, unterschiedlich schnelle Anreicherung dieser beiden Partikel in Lysosomen erfolgte, was die unterschiedliche Knockdown-Effizienz erklären könnte. CLSM-Studien und quantitative Kolokalisationsstudien gaben einen ersten Hinweis auf diese Größenabhängigkeit. rnBei allen verwendeten nanopartikulären Systemen konnte eine Freisetzung ihres Inhalts gezeigt werden. Somit bieten sie ein großes Potential als Wirkstoffträger für biomedizinische Anwendungen.rn

Synthese und Charakterisierung von HPMA-stabilisierten Kolloiden sowie deren Evaluierung in vitro und in vivo

Nanodimensionale Wirkstoff-Trägersysteme sind in der Lage, sowohl die Bioverfügbarkeit als auch das pharmakokinetische Profil von Wirkstoffen drastisch zu verbessern. Hauptgründe dafür sind eine erhöhte Plasma-Halbwertszeit durch die größenbedingte verminderte renale Ausscheidung und eine gesteigerte Anreicherung im Tumorgewebe durch den EPR-Effekt. Diese Arbeit beschreibt die Synthese und Entwicklung neuer kolloidaler Wirkstoff-Trägersysteme, welche biokompatibel, teilweise bioabbaubar und funktionalisierbar sind. Ein Fluoreszenzfarbstoff wurde als hydrophobes Wirkstoffmodell eingekapselt. Wohldefinierte, eng verteilte und funktionalisierbare HPMA-basierte Block- und statistische Copolymere unterschiedlicher Molekulargewichte (10-25 kDa) und hydrophiler/hydrophober Zusammensetzung (10-50 mol%) wurden mittels RAFT- Polymerisation in Kombination mit dem Reaktivesteransatz hergestellt und in Miniemulsionsprozesse eingesetzt, um ihre Stabilisierungseffizienz zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die kleineren Copolymere (10 kDa) mit einem Einbau von 10 mol% LMA, sowohl im Modellsystem Polystyrol, als auch im bioabbaubaren PDLLA-System, besonders geeignet sind und ergaben monodisperse Kolloide im Größenbereich von 100 bis 300 nm. Die kolloidalen Systeme zeigten keine Wirkung auf die Zellviabilität. In Folge dessen wurde das Aggregationsverhalten in humanem Blutserum mittels DLS untersucht, wobei keine Interaktion mit Blutbestandteilen festgestellt werden konnte. Zellaufnahmestudien wurden an HeLa-Zellen durchgeführt, um das Schicksal der Kolloide in vitro zu untersuchen. Dabei wurden Kernmaterial, Hülle und das hydrophobe Wirkstoffmodell durch unterschiedliche Fluoreszenzmarkierung getrennt betrachtet. Das hydrophobe Wirkstoffmodell wurde allein durch Interaktion der Kolloide mit den Zellen übertragen, was für eine diffusionsbedingte, initiale, aber unspezifische Freisetzung spricht. Eine solche Freisetzungskinetik kann durch Verwendung von Nitroglycerin, als vasodilatierender Wirkstoff mit geringer unspezifischer Wirkung, ausgenutzt werden, um den EPR-Effekt zu unterstützen. Die Aufnahme des Partikels hingegen geschieht zeitverzögert. Das Schicksal der Kolloide (sowohl des Kern- und desrnHüllmaterials) wurde durch doppelte Fluoreszenzmarkierung untersucht. Dabei kam es zu einer intrazellulären Ablösung der stabilisierenden Block-Copolymere zwischen 8 und 24 h. Nach Aufklärung der Aufnahme- und Freisetzungskinetiken wurde nun die Körperverteilung der PS- und PDLLA-Kolloide nach 18F-Markierung mittels PET und ex vivo-Biodistributiosstudien untersucht. Dabei hatte das Kernmaterial einen Einfluss auf die Körperverteilung. PET-Studien in Mäusen zeigten, dass die stabilisierenden Block-Copolymere beider Kolloide ein starkes Signal in der Niere geben, wobei das der PS-Kolloide weiter ausgeprägt war. Darüber hinaus war eine Anreicherung dieser in Lunge, Leber und Milz festzustellen. Die Verdrängung der stabilisierenden Polymere durch die Interaktion mit Blutbestandteilen erklärt dabei das erhöhte Nieren- und Blasensignal der PS- Kolloide. Das Anreicherungsmuster der PDLLA-Kolloide hingegen zeigte neben der Nierenakkumulation eine erhöhte Blutaktivität und somit die gewünschten langzirkulierenden Eigenschaften. Diese Ergebnisse konnten auch mittels ex vivo- Biodistributionsstudien bestätigt werden. Um die Tumoranreicherung weiter zu verbessern wurde die Verwendung von Folat als Erkennungsstruktur am einfachen HPMA-Polymer untersucht. Die Konjugate zeigten eine erhöhte Anreicherung im Vergleich zu den Polymeren ohne Erkennungsstrukturen. Blockadestudien bestätigten die Selektivität der Anreicherung. Diese Daten zeigen das Potential der Folat-Erkennungsstruktur in vivo innerhalb kurzer Zeitfenster, welche nun auf kolloidale Systeme übertragen werden kann.

Monitoring kinetic processes in polymeric colloids by fluorescence correlation spectroscopy

Polymerbasierte Kolloide mit Groen im Nanometerbereich werden als aussichts- reiche Kandidaten fur die Verkapselung und den Transport von pharmazeutischen Wirkstoen angesehen. Daher ist es wichtig die physikalischen Prozesse, die die Bil- dung, Struktur und kinetische Stabilitat der polymerbasierten Kolloide beein ussen, besser zu verstehen. Allerdings ist die Untersuchung dieser Prozesse fur nanome- tergroe Objekte kompliziert und erfordert fortgeschrittene Techniken. In dieser Arbeit beschreibe ich Untersuchungen, bei denen Zwei-Farben-Fluoreszenzkreuz- korrelationsspektroskopie (DC FCCS) genutzt wurde, um Informationen uber die Wechselwirkung und den Austausch von dispergierten, nanometergroen Kolloiden zu bekommen. Zunachst habe ich den Prozess der Polymernanopartikelherstellung aus Emul- sionstropfen untersucht, welcher einen der am haugsten angewendeten Prozesse der Nanopartikelformulierung darstellt. Ich konnte zeigen, dass mit DC FCCS eindeutig und direkt Koaleszenz zwischen Emulsionstropfen gemessen werden kann. Dies ist von Interesse, da Koaleszenz als Hauptgrund fur die breite Groenverteilung der nalen Nanopartikel angesehen wird. Weiterhin habe ich den Austausch von Mizellen bildenden Molekulen zwischen amphiphilen Diblock Kopolymermizellen untersucht. Als Modellsystem diente ein Linear-Burste Block Kopolymer, welches Mizellen mit einer dichten und kurzen Korona bildet. Mit Hilfe von DC FCCS konnte der Austausch in verschiedenen Losungsmitteln und bei verschiedenen Temperaturen beobachtet werden. Ich habe herausgefunden, dass in Abhangigkeit der Qualitat des Losungsmittels die Zeit des Austausches um Groenordnungen verschoben werden kann, was eine weitreichende Einstellung der Austauschkinetik ermoglicht. Eine Eigenschaft die all diese Kolloide gemeinsam haben ist ihre Polydispersitat. Im letzten Teil meiner Arbeit habe ich am Beispiel von Polymeren als Modellsystem untersucht, welchen Eekt Polydispersitat und die Art der Fluoreszenzmarkierung auf FCS Experimente haben. Eine Anpassung des klassischen FCS Modells kann die FCS Korrelationskurven dieser Systeme beschreiben. Die Richtigkeit meines Ansatzes habe ich mit dem Vergleich zur Gel-Permeations-Chromatographie und Brownschen Molekulardynamiksimulationen bestatigt.

Current status of drug-eluting stents

First-generation drug-eluting stents (DES) with controlled release of sirolimus or paclitaxel from durable polymers compared with bare-metal stents have been consistently shown to reduce the risk of repeat revascularization procedures due to restenosis. The superior efficacy was found across a wide range of patients and lesion subsets and persisted up to 5 years whereas similar outcomes have been observed in terms of death and myocardial infarction. Newer generation DES have been developed with the goal to further improve upon the safety profile of first-generation DES while maintaining efficacy. These platforms include DES with improved and more biocompatible durable polymers, DES using bioabsorbable polymers for drug release, DES with polymer-free drug release, and fully bioabsorbable DES. Newer generation DES with durable polymers such as zotarolimus-eluting or everolimus-eluting XIENCE V stents have been directly compared with first-generation DES. Most recent results of large scale clinical trials are encouraging in terms of similar or increased efficacy while improving safety by reducing the rates of myocardial infarctions and stent thrombosis. DES using biodegradable polymers for drug release represent the next technological modification and preliminary results are favorable and demonstrate similar angiographic and clinical efficacy as first-generation DES, but only longer term follow-up and investigation in larger patient cohorts will determine whether their use is associated with improved long-term safety. Fully bioabsorbable stents represent another innovative approach. Whether this innovative concept will enter into clinical routine remains yet to be determined.

A General Approach Towards the Synthesis of Amido-Functionalized Biodegradable Polyesters

The thesis presented here describes methodologies to produce pendant group functionalized polyesters from amido-functionalized α-hydroxy acids. The synthetic methods used to produce the functionalized α-hydroxy acids are compatible with a wide array of functional groups, making this technique highly versatile. The synthesis of functionalized polyesters was investigated to develop polymers with properties that may improve the capabilities of existing biodegradable polyesters for applications in controlled release pharmaceuticals. Chemically modified a-hydroxy acids were synthesized by reacting glyoxylic acid with a primary or secondary amide. To demonstrate the utility of this reaction, fourstructurally dissimilar amide substituents were examined including 2-pyrrolidione, benzamide, acetamide and acrylamide. The reaction is synthetically simple, provides high yields and is uniquely flexible, functionalized monomer. The compatibility of this procedure with the collection of functional groups mentioned circumvents the need for syntheses. The amido-functionalized monomers were polymerized by two different techniques: melt polycondensation and solution polymerization. Melt polycondensation was conducted by heating the monomer past its melting temperature under reduced pressure. Oligomeric functionalized polyesters (= 800 g/mol) with low PDIs (= 1.05) were obtained by melt polycondensation. Melt polycondensation was not compatible with all of the synthesized monomers. Two of the monomers (containing benzamide and acrylamide functionalities) degraded before the polycondensation reaction occurred. Thermal gravimetric analysis confirmed that a process other than polyesterification was occurring, indicating that some amido-functionalized α-hydroxy acids cannot be synthesized in the melt.Solution polymerization was conducted to polymerize functionalized α-hydroxy acids that were incompatible with melt polycondensation. Several modified Steglich polyesterifications were tested including p-toluenesulfonic acid mediated and scandium (III) triflate catalyzed. Only oligomeric functionalized polyesters were formed bythis method. A number of possible side reactions including the formation of an N-acylurea and a cyclic polymer ring were possible. The utility of this procedure appears to be limited due to the complexity of the reaction and its inability to produce high molecular weight polymer.

NANOPARTICLE AGGLOMERATES FOR PULMONARY DRUG DELIVERY

The Pulmonary route has been traditionally used to treat diseases of the respiratory tract. However, important research within the last two decades have shown that in addition to treating local diseases, a wide range of systemic diseases can be treated by delivering drugs to the lungs. The recent FDA approval to market Exubera, an inhalable form of insulin developed by Pfizer, to treat Diabetes, may just be the stepping stone that the pharmaceutical industry needs to market other drugs to treat systemic diseases via the lungs. However, this technology still needs repeated drug doses to control glucose levels, as the inhaled drug is cleared rapidly. Technologies have been developed where inhaled particles are capable of controlled release of drug from the lungs. An important feature of these technologies is the large geometric size of the particles that makes it difficult for the lung macrophages to clear these particles, which results in longer residence times for the particles in the lungs. Owing to the porosity, these particles have lower densities making them deliverable to the deep lungs. However, no modulation of drug release can be achieved with these technologies when more drug release may be required. This additional requirement can only be assuaged by additional dosing of the drug formulation, which can have undesirable effects due to excess loading of excipients in the lungs. In an attempt to bring about modulation of release from long residence time particles, a novel concept was developed in our laboratory that has been termed as the Agglomerated Vesicle Technology (AVT). Liposomes with encapsulated drug were agglomerated using well known cross linking chemistries to form agglomerates in the micron sized range. The large particles exhibited aerodynamic sizes in the respirable size range with minimal damage to the particles upon nebulization. By breaking the cross links between the liposomes with a cleaving agent, it was anticipated that triggered release of drug from the AVT particles could be achieved. In vivo studies done in healthy rabbits showed that post-administration modulation of drug release is possible from the AVT particles after the introduction of the cleaving agent. This study has important implications for the future development of this technology, where the AVT particles can be made “sensitive” to the product of disease. It is envisaged that a single dose of AVT containing the appropriate drug when administered to the lungs would maintain drug levels at a controlled rate over an extended period of time. When the need for more drug arises, the product of the disease would trigger the AVT particles to release more drug as needed to control the condition, thus eliminating the need for repeated drug doses and improved compliance amongst patients.

Transapical transcatheter aortic valve implantation using the second-generation self-expanding Symetis ACURATE TA valve

Transapical transcatheter aortic valve implantation (TA-TAVI) is the recognized first choice surgical TAVI access. Expansion of this well-established treatment modality with subsequent broader patient inclusion has accelerated development of second-generation TA-TAVI devices. The Swiss ACURATE TA Symetis valve allows for excellent anatomical positioning, resulting in a very low incidence of paravalvular leaks. The self-expanding stent features an hourglass shape to wedge the native aortic valve annulus. A specially designed delivery system facilitates controlled release aided by tactile operator feedback. The ACURATE TA valve made of three native porcine non-coronary leaflets has received CE approval in September 2011. Since then, this valve is the third most frequently implanted TAVI device with over 1200 implants in Europe and South America. Results from the Symetis ACURATE TA™ Valve Implantation ('SAVI') Registry showed a procedural success rate of 98.0% and a survival rate of 93.2% at 30 days. This presentation provides technical considerations and detailed procedural aspects of device implantation.

Fine control of drug delivery for cochlear implant applications

Cochlear implants are neuroprostheses that are inserted into the inner ear to directly electrically stimulate the auditory nerve, thus replacing lost cochlear receptors, the hair cells. The reduction of the gap between electrodes and nerve cells will contribute to technological solutions simultaneously increasing the frequency resolution, the sound quality and the amplification of the signal. Recent findings indicate that neurotrophins (NTs) such as brain derived neurotrophic factor (BDNF) stimulate the neurite outgrowth of auditory nerve cells by activating Trk receptors on the cellular surface (1–3). Furthermore, small-size TrkB receptor agonists such as di-hydroxyflavone (DHF) are now available, which activate the TrkB receptor with similar efficiency as BDNF, but are much more stable (4). Experimentally, such molecules are currently used to attract nerve cells towards, for example, the electrodes of cochlear implants. This paper analyses the scenarios of low dose aspects of controlled release of small-size Trk receptor agonists from the coated CI electrode array into the inner ear. The control must first ensure a sufficient dose for the onset of neurite growth. Secondly, a gradient in concentration needs to be maintained to allow directive growth of neurites through the perilymph-filled gap towards the electrodes of the implant. We used fluorescein as a test molecule for its molecular size similarity to DHF and investigated two different transport mechanisms of drug dispensing, which both have the potential to fulfil controlled low-throughput drug-deliverable requirements. The first is based on the release of aqueous fluorescein into water through well-defined 60-μm size holes arrays in a membrane by pure osmosis. The release was both simulated using the software COMSOL and observed experimentally. In the second approach, solid fluorescein crystals were encapsulated in a thin layer of parylene (PPX), hence creating random nanometer-sized pinholes. In this approach, the release occurred due to subsequent water diffusion through the pinholes, dissolution of the fluorescein and then release by out-diffusion. Surprisingly, the release rate of solid fluorescein through the nanoscopic scale holes was found to be in the same order of magnitude as for liquid fluorescein release through microscopic holes.

Enhanced in vivo angiogenesis within a model tissue engineered construct using biodegradable microspheres containing encapsulated VEGF

Introduction. Tissue engineering techniques offer a potential means to develop a tissue engineered construct (TEC) for the treatment of tissue and organ deficiencies. However, a lack of adequate vascularization is a limiting factor in the development of most viable engineered tissues. Vascular endothelial growth factor (VEGF) could aid in the development of a viable vascular network within TECs. The long-term goals of this research are to develop clinically relevant, appropriately vascularized TECs for use in humans. This project tested the hypothesis that the delivery of VEGF via controlled release from biodegradable microspheres would increase the vascular density and rate of angiogenesis within a model TEC. ^ Materials and methods. Biodegradable VEGF-encapsulated microspheres were manufactured using a novel method entitled the Solid Encapsulation/Single Emulsion/Solvent Extraction technique. Using a PLGA/PEG polymer blend, microspheres were manufactured and characterized in vitro. A model TEC using fibrin was designed for in vivo tissue engineering experimentation. At the appropriate timepoint, the TECs were explanted, and stained and quantified for CD31 using a novel semi-automated thresholding technique. ^ Results. In vitro results show the microspheres could be manufactured, stored, degrade, and release biologically active VEGF. The in vivo investigations revealed that skeletal muscle was the optimal implantation site as compared to dermis. In addition, the TECs containing fibrin with VEGF demonstrated significantly more angiogenesis than the controls. The TECs containing VEGF microspheres displayed a significant increase in vascular density by day 10. Furthermore, TECs containing VEGF microspheres had a significantly increased relative rate of angiogenesis from implantation day 5 to day 10. ^ Conclusions. A novel technique for producing microspheres loaded with biologically active proteins was developed. A defined concentration of microspheres can deliver a quantifiable level of VEGF with known release kinetics. A novel model TEC for in vivo tissue engineering investigations was developed. VEGF and VEGF microspheres stimulate angiogenesis within the model TEC. This investigation determined that biodegradable rhVEGF 165-encapsulated microspheres increased the vascular density and relative rate of angiogenesis within a model TEC. Future applications could include the incorporation of microvascular fragments into the model TEC and the incorporation of specific tissues, such as fat or bone. ^