Natural rubber latex: Study of a novel carrier for Casearia sylvestris swartz delivery

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Sintesi e caratterizzazione di nanosistemi biocompatibili per drug delivery nel trattamento dell'Alzheimer

Le nanoparticelle polimeriche offrono grandi vantaggi nella nanomedicina in quanto fungono da carrier per il Drug Delivery e possono essere molto utili per le malattie ancor oggi difficili da trattare quali le neurodegenerative come l’Alzheimer. In questo progetto di tesi sono stati creati nanocarrier polimerici utilizzando come polimero un copolimero a blocchi anfifilico noto come PLGA-b-PEG: con varie tecniche si sono ottenute micelle polimeriche nelle quali sono stati intrappolati come principi attivi sia un farmaco, il liraglutide, sia nanoparticelle di magnesio; il primo può ridurre le placche β-amiloidee, tipiche cause dell’Alzheimer, mentre le seconde possono aumentare la plasticità sinaptica anch’essa legata all’Alzheimer. Inoltre è stato sintetizzato e intrappolato anche un promettente agente diagnostico, ovvero nanoparticelle di ferro, utile per aumentare la sensibilità di tecniche di imaging quali MRI e per la rivelazione precoce di malattie. Tutti i sistemi sono stati caratterizzati con tecniche specifiche per valutare i parametri chiave quali dimensione, polidispersità, carica superficiale e concentrazione dei componenti e successivamente sono state utilizzate per studi biologici effettuati da collaboratori esterni. Tutto questo ha come obiettivo futuro la creazione di un carrier teranostico che racchiuderà al suo interno l’agente terapeutico e l’agente diagnostico per combinare i due effetti principali in un unico carrier.

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.

Anti-infective therapy of peri-implantitis with adjunctive local drug delivery or photodynamic therapy: six-month outcomes of a prospective randomized clinical trial

To compare the adjunctive clinical effects in the non-surgical treatment of peri-implantitis with either local drug delivery (LDD) or photodynamic therapy (PDT).

Photodynamic drug delivery enhancement in tumours does not depend on leukocyte-endothelial interaction in a human mesothelioma xenograft model

The pre-treatment of tumour neovessels by low-level photodynamic therapy (PDT) improves the distribution of concomitantly administered systemic chemotherapy. The mechanism by which PDT permeabilizes the tumour vessel wall is only partially known. We have recently shown that leukocyte-endothelial cell interaction is essential for photodynamic drug delivery to normal tissue. The present study investigates whether PDT enhances drug delivery in malignant mesothelioma and whether it involves comparable mechanisms of actions.

Antinociceptive effects, metabolism and disposition of ketamine in ponies under target-controlled drug infusion

Ketamine is widely used as an anesthetic in a variety of drug combinations in human and veterinary medicine. Recently, it gained new interest for use in long-term pain therapy administered in sub-anesthetic doses in humans and animals. The purpose of this study was to develop a physiologically based pharmacokinetic (PBPk) model for ketamine in ponies and to investigate the effect of low-dose ketamine infusion on the amplitude and the duration of the nociceptive withdrawal reflex (NWR). A target-controlled infusion (TCI) of ketamine with a target plasma level of 1 microg/ml S-ketamine over 120 min under isoflurane anesthesia was performed in Shetland ponies. A quantitative electromyographic assessment of the NWR was done before, during and after the TCI. Plasma levels of R-/S-ketamine and R-/S-norketamine were determined by enantioselective capillary electrophoresis. These data and two additional data sets from bolus studies were used to build a PBPk model for ketamine in ponies. The peak-to-peak amplitude and the duration of the NWR decreased significantly during TCI and returned slowly toward baseline values after the end of TCI. The PBPk model provides reliable prediction of plasma and tissue levels of R- and S-ketamine and R- and S-norketamine. Furthermore, biotransformation of ketamine takes place in the liver and in the lung via first-pass metabolism. Plasma concentrations of S-norketamine were higher compared to R-norketamine during TCI at all time points. Analysis of the data suggested identical biotransformation rates from the parent compounds to the principle metabolites (R- and S-norketamine) but different downstream metabolism to further metabolites. The PBPk model can provide predictions of R- and S-ketamine and norketamine concentrations in other clinical settings (e.g. horses).

Targeted Multistage Delivery of Nanoparticles to the Bone Marrow

Bone marrow is a target organ site involved in multiple diseases including myeloproliferative disorders and hematologic malignancies and metastases from breast and prostate. Most of these diseases are characterized with poor quality of life, and the treatment options are only palliative due to lack of delivery mechanisms for systemically injected drugs which results in dose limitation to protect the healthy hematopoietic cells. Therefore, there is a critical need to develop effective therapeutic strategies that allow for selective delivery of therapeutic payload to the bone marrow. Nanotechnology-based drug delivery systems provide the opportunity to deliver drugs to the target tissue while decreasing exposure to normal tissues. E-selectin is constitutively expressed on the bone marrow vasculature, but almost absent in normal vessels, and therefore, E-selectin targeted drug delivery presents an ideal strategy for the delivery of therapeutic nanoparticles to the bone marrow. The objective of this study was to develop a novel bone marrow targeted multistage vector (MSV) via E-selectin for delivery of therapeutics and imaging agents. To achieve this goal, Firstly, an E-selectin thioaptamer (ESTA) ligand was identified through a two-step screening from a combinatorial thioaptamer library. Next, ESTA-conjugated MSV (ESTA-MSV) were developed and evaluated for their stability and binding to E-selectin expressing endothelial cells. Different types of nanoparticles including liposomes, quantum dots, and iron oxide nanoparticles were loaded into the porous structure of ESTA-MSV. In vivo targeting experiments demonstrated 8-fold higher accumulation of ESTA-MSV in the mouse bone marrow as compared to non-targeted MSV Furthermore, intravenous injection of liposomes loaded ESTA-MSV resulted in a significantly higher accumulation of liposome in the bone marrow space as compared to injection of non-targeted MSV or liposomes alone. Overall this study provides first evidence that E-selectin targeted multistage vector preferentially targets to bone marrow vasculature and delivers larger amounts of nanoparticles. This delivery strategy holds potential for the selective delivery of large amounts of therapeutic payload to the vascular niches in the bone marrow for the treatment of bone marrow associated diseases.

Development of light-responsive porous polycarbonate membranes for controlled caffeine delivery

For controlled caffeine release, light-responsive membranes were developed. It was possible to produce membranes that reduced their caffeine permeability resistance by about 97% when irradiated with UV-light compared to measurements at daylight. This was achieved by grafting polymers possessing photochromic units onto track-edged polycarbonate membranes. Covalently linked coatings on porous polycarbonate membranes were obtained by plasma activation of the membrane surface followed by plasma-induced graft polymerization. Copolymerization of spiro-compounds during the coating process as well as postmodification of preformed coatings with spiropyran resulted in photochromic membranes. For the copolymerization process, the synthesis of five photochromic methacrylic and acrylic spiropyrans and spirooxazines was successfully performed. Additionally, a spiropyran with carboxylic acid functionality was synthesized for the postmodification process. This enabled us to postmodify polymeric materials containing alcohol or amine groups to obtain photochromic materials. UV-irradiation of these light-responsive membranes resulted in a strong colouration of the membrane, in a reduction of surface tension, which resulted in a decreased caffeine permeability resistance. The membranes were characterized using XPS for the elemental composition of the coating, contact angle measurements for the surface tension, solid-state UV/VIS measurements for the determination of the kinetic and stability properties, and two-photon microscopy for the localisation of the photochromic substance in the porous membrane.

Design, Synthesis and Development of Transporter Targeting Agents for Image-guided Therapy and Drug Delivery

The purpose of this study was to design, synthesize and develop novel transporter targeting agents for image-guided therapy and drug delivery. Two novel agents, N4-guanine (N4amG) and glycopeptide (GP) were synthesized for tumor cell proliferation assessment and cancer theranostic platform, respectively. N4amG and GP were synthesized and radiolabeled with 99mTc and 68Ga. The chemical and radiochemical purities as well as radiochemical stabilities of radiolabeled N4amG and GP were tested. In vitro stability assessment showed both 99mTc-N4amG and 99mTc-GP were stable up to 6 hours, whereas 68Ga-GP was stable up to 2 hours. Cell culture studies confirmed radiolabeled N4amG and GP could penetrate the cell membrane through nucleoside transporters and amino acid transporters, respectively. Up to 40% of intracellular 99mTc-N4amG and 99mTc-GP was found within cell nucleus following 2 hours of incubation. Flow cytometry analysis revealed 99mTc-N4amG was a cell cycle S phase-specific agent. There was a significant difference of the uptake of 99mTc-GP between pre- and post- paclitaxel-treated cells, which suggests that 99mTc-GP may be useful in chemotherapy treatment monitoring. Moreover, radiolabeled N4amG and GP were tested in vivo using tumor-bearing animal models. 99mTc-N4amG showed an increase in tumor-to-muscle count density ratios up to 5 at 4 hour imaging. Both 99mTc-labeled agents showed decreased tumor uptake after paclitaxel treatment. Immunohistochemistry analysis demonstrated that the uptake of 99mTc-N4amG was correlated with Ki-67 expression. Both 99mTc-N4amG and 99mTc-GP could differentiate between tumor and inflammation in animal studies. Furthermore, 68Ga-GP was compared to 18F-FDG in rabbit PET imaging studies. 68Ga-GP had lower tumor standardized uptake values (SUV), but similar uptake dynamics, and different biodistribution compared with 18F-FDG. Finally, to demonstrate that GP can be a potential drug carrier for cancer theranostics, several drugs, including doxorubicin, were selected to be conjugated to GP. Imaging studies demonstrated that tumor uptake of GP-drug conjugates was increased as a function of time. GP-doxorubicin (GP-DOX) showed a slow-release pattern in in vitro cytotoxicity assay and exhibited anti-cancer efficacy with reduced toxicity in in vivo tumor growth delay study. In conclusion, both N4amG and GP are transporter-based targeting agents. Radiolabeled N4amG can be used for tumor cell proliferation assessment. GP is a potential agent for image-guided therapy and drug delivery.

Drug delivery: piercing vesicles by their adsorption onto a porous medium.

Experimental evidence is presented that supports the possibility of building a "molecular drill." By the adsorption of a vesicle onto a porous substrate (specifically, a lycopode grain), it was possible to increase the permeability of the vesicle by locally stretching its membrane. Molecules contained within the vesicle, which could not cross the membrane, were delivered to the porous substrate upon adsorption. This general process could provide another method for drug delivery and targeting.

Vector-mediated delivery of a polyamide ("peptide") nucleic acid analogue through the blood-brain barrier in vivo.

Polyamide ("peptide") nucleic acids (PNAs) are molecules with antigene and antisense effects that may prove to be effective neuropharmaceuticals if these molecules are enabled to undergo transport through the brain capillary endothelial wall, which makes up the blood-brain barrier in vivo. The model PNA used in the present studies is an 18-mer that is antisense to the rev gene of human immunodeficiency virus type 1 and is biotinylated at the amino terminus and iodinated at a tyrosine residue near the carboxyl terminus. The biotinylated PNA was linked to a conjugate of streptavidin (SA) and the OX26 murine monoclonal antibody to the rat transferrin receptor. The blood-brain barrier is endowed with high transferrin receptor concentrations, enabling the OX26-SA conjugate to deliver the biotinylated PNA to the brain. Although the brain uptake of the free PNA was negligible following intravenous administration, the brain uptake of the PNA was increased at least 28-fold when the PNA was bound to the OX26-SA vector. The brain uptake of the PNA bound to the OX26-SA vector was 0.1% of the injected dose per gram of brain at 60 min after an intravenous injection, approximating the brain uptake of intravenously injected morphine. The PNA bound to the OX26-SA vector retained the ability to bind to synthetic rev mRNA as shown by RNase protection assays. In summary, the present studies show that while the transport of PNAs across the blood-brain barrier is negligible, delivery of these potential neuropharmaceutical drugs to the brain may be achieved by coupling them to vector-mediated peptide-drug delivery systems.