Folic acid derivatives for PET imaging and therapy addressing folate receptor positive tumors

Folic acid, also known as vitamin B9, is the oxidized form of 5,6,7,8-tetrahydrofolate, which serves as methyl- or methylene donor (C1-building blocks) during DNA synthesis. Under physiological conditions the required amount of 5,6,7,8-tetrahydrofolate for survival of the cell is accomplished through the reduced folate carrier (RFC). In contrast, the supply of 5,6,7,8-tetrahydrofolate is insufficient under pathophysiological conditions of tumors due to an increased proliferation rate. Consequently, many tumor cells exhibit an (over)expression of the folate receptor. This phenomenon has been applied to diagnostics (PET, SPECT, MR) to image FR-positive tumors and on the other hand to treat malignancies related to a FR (over)expression. Based on this concept, a new 18F-labeled folate for PET imaging has been developed and was evaluated in vivo using tumor-bearing mice. The incorporation of oligoethylene spacers into the molecular structure led to a significant enhancement of the pharmacokinetics in comparison to previously developed 18F-folates. The liver uptake could be reduced by one sixth by remaining a tumor uptake of 3%ID/g leading to better contrast ratios. Encouraged by these results, a clickable 18F-labeled serine-based prosthetic group has been synthesized, again with the idea to improve the metabolic and pharmacokinetic profile of hydrophilic radiotracers. Therefore, an alkyne-carrying azido-functionalized serine derivative for coupling to biomolecules was synthesized and a chlorine leaving group for 18F-labeling, which could be accomplished using a microwave-assisted synthesis, a [K⊂2.2.2]+/carbonate system in DMSO. Radiochemical yields of 77±6% could be achieved.rnThe promising results obtained from the FR-targeting concept in the diagnostic field have been transferred to the boron neutron capture therapy. Therefore, a folate derivative was coupled to different boron clusters and cell uptake studies were conducted. The synthesis of the folate-boron clusters was straightforward. At first, a linker molecule based on maleic acid was synthesized, which was coupled to the boron cluster via Michael Addition of a thiol and alkene and subsequently coupled to the targeting moiety using CuAAC. The new conjugates of folate and boron clusters led to a significant increase of boron concentration in the cell of about 5-times compared to currently used and approved boron pharmaceuticals. rnMoreover, azido-folate derivatives were coupled to macromolecular carrier systems (pHPMA), which showed an enhanced and specific accumulation at target sites (up to 2.5-times) during in vivo experiments. A specific blockade could be observed up to 30% indicating an efficient targeting effect. A new kind of nanoparticles consisting of a PDLLA core and p((HPMA)-b-LMA)) as surfactants were developed and successfully radiolabeled via 18F-click chemistry in good RCYs of 8±3%rnThe nanoparticles were obtained via the miniemulsion technique in combination with solvent evaporation. The 18F-labeled nanoparticles were applied to in vivo testing using a mouse model. PET imaging showed a “mixed” biodistribution of low molecular weight as well as high molecular weight systems, indicating a partial loss of the 18F-labeled surfactant.rnIn conclusion, the presented work successfully utilized the FR-targeting concept in both, the diagnostic field (PET imaging) and for therapeutic approaches (BNCT, drug delivery systems). As a result, the high potential of FR-targeting in oncological applications has been shown and was confirmed by small animal PET imaging.rn

Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit peptidischen Seitenketten

Die Forschung im Bereich der Drug Delivery-Systeme konzentriert sich auf biokompatible und wenig immunogene Trägermoleküle. Eine Klasse vielversprechender Trägersysteme stellen Peptid basierte Polymere dar, die neben einer hohen Biokompatibilität auch eine Sensitivität gegenüber externen Einflüssen aufweisen. Der zwitterionische Charakter von Aminosäuren und Peptiden verhindert die Adsorption von Serumproteinen und ein „antifouling“ Verhalten kann festgestellt werden, sodass diese Moleküle für den Einsatz als Wirkstoffträgersystem sehr geeignet scheinen. In Kombination mit einer bürstenartigen Struktur entstehen Systeme mit einer einzigartigen Peptidarchitektur, die sich durch eine hohe Dichte funktioneller Gruppen für Konjugationsreaktionen auszeichnen und deren formabhängige Zellaufnahme sie besonders attraktiv für die Anwendung als „Nanocarrier“ macht.rnrnDas zwitterionische Poly-(ε-N-Methacryloyl-L-Lysin) (Mw = 721,000 g∙mol 1) wurde durch freie radikalische Polymerisation dargestellt und seine Konformation in Abhängigkeit von Ionenstärke und pH-Wert untersucht. Die Biokompatibilität des Systems konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden. Zusammen mit der vernachlässigbaren unspezifischen Aufnahme in dendritische Zellen aus Knochenmark erfüllt das System damit alle Bedingungen, die an ein polymeres Wirkstoffträgersystem gestellt werden. Darüber hinaus können Komplexe des Polymers mit DNA in Gegenwart von divalenten Metallionen für die Gentransfektion verwendet werden.rnrnDurch Kopplung von ε-N-Methacryloyl-L-Lysin mit der Elastin-ähnlichen Polypeptid Pentasequenz Valin-Prolin-Glycin-Glycin-Glycin konnte ein Hexapeptid-Makromonomer dargestellt werden, welches anschließend mittels „grafting through“ Polymerisation zur Polymerbürste umgesetzt wurde. Die wurmartige Struktur der Polymerbürsten wurde in AFM-Aufnahmen gezeigt und eine hohe Kettensteifigkeit der Polymerbürsten über dynamische und statische Lichtstreuung nachgewiesen. Zirkulardichroismus-Messungen lieferten Informationen über struktur-, salz- und temperaturabhängige Veränderungen der Konformation. Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum bestätigten die erwartete Biokompatibilität.rnrnBasierend auf zwei Elastin-ähnlichen Polypeptiden mit ähnlicher Peptidsequenz wurden insgesamt vier unterschiedliche Makromonomere mit jeweils 20 Pentapeptid-Wiederholungseinheiten dargestellt. Über anschließende „grafting through“ Polymerisation entstanden molekulare Bürstenmoleküle mit variierenden externen funktionellen Gruppen, die für zukünftige Konjugationsreaktionen verwendet werden können. Der Einfluss von Ionenstärke und Temperatur auf die Konformation der Makromonomere und Polymere wurde mittels Zirkulardichroismus- und Trübungskurven-Messungen untersucht und ein starker Einfluss der hohen Seitenkettendichte auf das Verhalten der Polymerbürsten wurde festgestellt. Über dynamische Lichtstreuung konnte ein von den externen funktionellen Gruppen abhängiges Aggregationsverhalten in humanem Blutserum nachgewiesen werden.rnrnDie in dieser Arbeit synthetisierten Polymerbürsten mit peptidischen Seitenketten stellen damit biokompatible und vielversprechende Trägersysteme für die Konjugation mit Biomolekülen dar, die zukünftig als Drug Delivery-Systeme ihren Einsatz finden können.rn

From defined polymer architectures to structure-property relationships in vivo

Makromolekulare Wirkstoffträgersysteme sind von starkem Interesse bezüglich der klinischen Anwendung chemotherapeutischer Agenzien. Um ihr klinisches Potential zu untersuchen ist es von besonderer Bedeutung das pharmakokinetische Profil in vivo zu bestimmen. Jede Veränderung der Polymerstruktur beeinflusst die Körperverteilung des entsprechenden Makromoleküls. Aufgrund dessen benötigt man detailliertes Wissen über Struktur-Eigenschaftsbeziehungen im lebenden Organismus, um das Nanocarrier System für zukünftige Anwendungen einzustellen. In dieser Beziehung stellt das präklinische Screening mittels radioaktiver Markierung und Positronen-Emissions-Tomographie eine nützliche Methode für schnelle sowie quantitative Beobachtung von Wirkstoffträgerkandidaten dar. Insbesondere poly(HPMA) und PEG sind im Arbeitsgebiet Polymer-basierter Therapeutika stark verbreitet und von ihnen abgeleitete Strukturen könnten neue Generationen in diesem Forschungsbereich bieten.rnDie vorliegende Arbeit beschreibt die erfolgreiche Synthese verschiedener HPMA und PEG basierter Polymer-Architekturen – Homopolymere, Statistische und Block copolymere – die mittels RAFT und Reaktivesterchemie durchgeführt wurde. Des Weiteren wurden die genannten Polymere mit Fluor-18 und Iod-131 radioaktiv markiert und mit Hilfe von microPET und ex vivo Biodistributionsstudien in tumortragenden Ratten biologisch evaluiert. Die Variation in Polymer-Architektur und darauffolgende Analyse in vivo resultierte in wichtige Schlussfolgerungen. Das hydrophile / lipophile Gleichgewicht hatte einen bedeutenden Einfluss auf das pharmakokinetische Profil, mit besten in vivo Eigenschaften (geringe Aufnahme in Leber und Milz sowie verlängerte Blutzirkulationszeit) für statistische HPMA-LMA copolymere mit steigendem hydrophoben Anteil. Außerdem zeigten Langzeitstudien mit Iod-131 eine verstärkte Retention von hochmolekularen, HPMA basierten statistischen Copolymeren im Tumorgewebe. Diese Beobachtung bestätigte den bekannten EPR-Effekt. Hinzukommend stellen Überstrukturbildung und damit Polymergröße Schlüsselfaktoren für effizientes Tumor-Targeting dar, da Polymerstrukturen über 200 nm in Durchmesser schnell vom MPS erkannt und vom Blutkreislauf eliminiert werden. Aufgrund dessen wurden die hier synthetisierten HPMA Block copolymere mit PEG Seitengruppen chemisch modifiziert, um eine Verminderung in Größe sowie eine Reduktion in Blutausscheidung zu induzieren. Dieser Ansatz führte zu einer erhöhten Tumoranreicherung im Walker 256 Karzinom Modell. Generell wird die Körperverteilung von HPMA und PEG basierten Polymeren stark durch die Polymer-Architektur sowie das Molekulargewicht beeinflusst. Außerdem hängt ihre Effizienz hinsichtlich Tumorbehandlung deutlich von den individuellen Charakteristika des einzelnen Tumors ab. Aufgrund dieser Beobachtungen betont die hier vorgestellte Dissertation die Notwendigkeit einer detaillierten Polymer-Charakterisierung, kombiniert mit präklinischem Screening, um polymere Wirkstoffträgersysteme für individualisierte Patienten-Therapie in der Zukunft maßzuschneidern.rn

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

18 F-Click-Radiomarkierung polymerer Trägersysteme zur ex vivo- und in vivo-Evaluierung

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein leistungsstarkes, nicht-invasives, bildgebendes Verfahren in der Nuklearmedizin und hat darüber hinaus zunehmende Bedeutung in der Arzneistoffentwicklung. Zur Verbesserung des therapeutischen Index von niedermolekularen Pharmaka werden vermehrt Wirkstofftransportsysteme eingesetzt. Eine Klasse dieser Wirkstofftransportsysteme sind Liposomen. Die Weiterentwicklung der klassischen Liposomen sind sogenannte „Stealth“-Liposomen, die eine Polyethylenglykol (PEG)-Korona zur Herabsetzung der Erkennung und Ausscheidung tragen. Zur (Weiter-)Entwicklung und deren in vivo-Evaluierung bietet die PET die Möglichkeit, die Auswirkungen von strukturellen Anpassungen auf die pharmakokinetischen Eigenschaften solcher Transportsysteme zu untersuchen. Zur Evaluierung neuartiger, cholesterolverankerter, linear-hyperverzweigter Polyglycerole (Ch-PEG-hbPG) als sterisch stabilisierende Polymere in Liposomen wurden diese im Rahmen dieser Arbeit mit der prosthetischen Gruppe 18F-TEG-N3 über kupferkatalysierte Alkin-Azid Cycloaddition (CuAAC) in sehr hohen Ausbeuten radiomarkiert. Zum systematischen Vergleich des in vivo-Verhaltens wurde ebenfalls ein cholesterolbasiertes lineares PEG (Ch-PEG) mit CuAAC nahezu quantitativ radiomarkiert. Als drittes Element wurde die Direktmarkierung von Cholesterol mit [18F]F- entwickelt. Diese drei Verbindungen wurden zuerst separat als Einzelkomponenten und anschließend, in Liposomen formuliert, in Tierstudien an Mäusen hinsichtlich ihrer initialen Pharmakokinetik und Biodistribution untersucht. Dabei zeigte sich ein ähnliches Verhalten der neuartigen Ch-PEG-hbPG-Derivate zu den bekannten Ch-PEG, mit dem Vorteil der Multifunktionalität an den hyperverzweigten Strukturen. Die liposomalen Strukturen mit der neuartigen sterischen Stabilisierung wiesen eine erhöhte Blutzirkulationszeit und vorteilhafte Blut-zu-Leber- und Blut-zu-Lunge-Verhältnisse im Vergleich zu den linear stabilisierten Analoga auf.rnEine weitere Klasse von Wirkstofftransportsystemen sind polymere Trägersysteme wie pHPMA. Alkinfunktionalisierte Polymere konnten in zwei verschiedenen Größen (~12 und 60 kDa) mittels CuAAC in sehr hohen Ausbeuten mit der prosthetischen Gruppe 18F-TEG-N3 radiomarkiert werden. Bicyclononinderivate der gleichen Größen konnten ohne Kupferkatalyse über ringspannungsvermittelte Alkin-Azid-Cycloaddition (SPAAC) mikrowellengestützt markiert werden und stehen somit zur in vivo-Untersuchung hinsichtlich des Einflusses der Markierungsart zur Verfügung.

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.

Evaluation and quantification of spectral information in tissue by confocal microscopy

A confocal imaging and image processing scheme is introduced to visualize and evaluate the spatial distribution of spectral information in tissue. The image data are recorded using a confocal laser-scanning microscope equipped with a detection unit that provides high spectral resolution. The processing scheme is based on spectral data, is less error-prone than intensity-based visualization and evaluation methods, and provides quantitative information on the composition of the sample. The method is tested and validated in the context of the development of dermal drug delivery systems, introducing a quantitative uptake indicator to compare the performances of different delivery systems is introduced. A drug penetration study was performed in vitro. The results show that the method is able to detect, visualize and measure spectral information in tissue. In the penetration study, uptake efficiencies of different experiment setups could be discriminated and quantitatively described. The developed uptake indicator is a step towards a quantitative assessment and, in a more general view apart from pharmaceutical research, provides valuable information on tissue composition. It can potentially be used for clinical in vitro and in vivo applications.

Chemosensitization of carcinoma cells using epithelial cell adhesion molecule-targeted liposomal antisense against bcl-2/bcl-xL

Nanoscale drug delivery systems, such as sterically stabilized immunoliposomes binding to internalizing tumor-associated antigens, can increase therapeutic efficacy and reduce toxicity to normal tissues compared with nontargeted liposomes. The epithelial cell adhesion molecule (EpCAM) is of interest as a ligand for targeted drug delivery because it is abundantly expressed in solid tumors but shows limited distribution in normal tissues. To generate EpCAM-specific immunoliposomes for targeted cancer therapy, the humanized single-chain Fv antibody fragment 4D5MOCB was covalently linked to the exterior of coated cationic liposomes. As anticancer agent, we encapsulated the previously described antisense oligonucleotide 4625 specific for both bcl-2 and bcl-xL. The EpCAM-targeted immunoliposomes (SIL25) showed specific binding to EpCAM-overexpressing tumor cells, with a 10- to 20-fold increase in binding compared with nontargeted control liposomes. No enhanced binding was observed on EpCAM-negative control cells. On cell binding, SIL25 was efficiently internalized by receptor-mediated endocytosis, ultimately leading to down-regulation of both bcl-2 and bcl-xL expression on both the mRNA and protein level, which resulted in enhanced tumor cell apoptosis. In combination experiments, the use of SIL25 led to a 2- to 5-fold sensitization of EpCAM-positive tumor cells of diverse origin to death induction by doxorubicin. Our data show the promise of EpCAM-specific drug delivery systems, such as antisense-loaded immunoliposomes, for targeted cancer therapy.

Nanomaterials and the human lung: what is known and what must be deciphered to realise their potential advantages?

Due to the constant expansion within the nanotechnology industry in the last decade, nanomaterials are omnipresent in society today. Nanotechnology-based products have numerous different applications ranging from electronic (e.g., advanced memory chips) to industrial (e.g., coatings or composites) to biomedical (e.g., drug delivery systems, diagnostics). Although these new nanomaterials can be found in many "everyday" products, their effects on the human body have still to be investigated in order to identify not only their risk, but also their potential benefits towards human health. Since the lung is commonly thought to be the main portal of entry into the human body for nanomaterials released within the environment, this review will attempt to summarise the current knowledge and understanding of how nanomaterials interact with the respiratory tract. Furthermore, the advantages and disadvantages of different experimental model systems that are commonly used to study this exposure route to the human body will be discussed.

The evolution and assessment of pharmaceutical care: Structure, processes, and outcomes

The evolution of pharmaceutical care is identified through a complete review of the literature published in the American Journal of Health-System Pharmacy, the sole comprehensive publication of institutional pharmacy practice. The evolution is categorized according to characteristics of structure (organizational structure, the role of the pharmacist), process (drug delivery systems, formulary management, acquiring drug products, methods to impact drug therapy decisions), and outcomes (cost of drug delivery, cost of drug acquisition and use, improved safety, improved health outcomes) recorded from the 1950s through the 1990s. While significant progress has been made in implementing basic drug distribution systems, levels of pharmacy involvement with direct patient care is still limited.^ A new practice framework suggests enhanced direct patient care involvement through increase in the efficiency and effectiveness of traditional pharmacy services. Recommendations advance internal and external organizational structure relationships that position pharmacists to fully use their unique skills and knowledge to impact drug therapy decisions and outcomes. Specific strategies facilitate expansion of the breadth and scope of each process component in order to expand the depth of integration of pharmacy and pharmaceutical care within the broad healthcare environment. Economic evaluation methods formally evaluate the impact of both operational and clinical interventions.^ Outcome measurements include specific recommendations and methods to increase efficiency of drug acquisition, emphasizing pharmacists' roles that impact physician prescribing decisions. Effectiveness measures include those that improve safety of drug distribution systems, decrease the potential of adverse drug therapy events, and demonstrate that pharmaceutical care can significantly contribute to improvement in overall health status.^ The implementation of the new framework is modeled on a case study at the M.D. Anderson Cancer Center. The implementation of several new drug distribution methods facilitated the redeployment of personnel from distributive functions to direct patient care activities with significant personnel and drug cost reduction. A cost-benefit analysis illustrates that framework process enhancements produced a benefit-to-cost ratio of 7.9. In addition, measures of effectiveness demonstrated significant levels of safety and enhanced drug therapy outcomes. ^

Nanoinformatics knowledge infrastructures: bringing efficient information management to nanomedical research

Nanotechnology represents an area of particular promise and significant opportunity across multiple scientific disciplines. Ongoing nanotechnology research ranges from the characterization of nanoparticles and nanomaterials to the analysis and processing of experimental data seeking correlations between nanoparticles and their functionalities and side effects. Due to their special properties, nanoparticles are suitable for cellular-level diagnostics and therapy, offering numerous applications in medicine, e.g. development of biomedical devices, tissue repair, drug delivery systems and biosensors. In nanomedicine, recent studies are producing large amounts of structural and property data, highlighting the role for computational approaches in information management. While in vitro and in vivo assays are expensive, the cost of computing is falling. Furthermore, improvements in the accuracy of computational methods (e.g. data mining, knowledge discovery, modeling and simulation) have enabled effective tools to automate the extraction, management and storage of these vast data volumes. Since this information is widely distributed, one major issue is how to locate and access data where it resides (which also poses data-sharing limitations). The novel discipline of nanoinformatics addresses the information challenges related to nanotechnology research. In this paper, we summarize the needs and challenges in the field and present an overview of extant initiatives and efforts.

Collagen-binding growth factors: Production and characterization of functional fusion proteins having a collagen-binding domain

The autocrine/paracrine peptide signaling molecules such as growth factors have many promising biologic activities for clinical applications. However, one cannot expect specific therapeutic effects of the factors administered by ordinary drug delivery systems as they have limited target specificity and short half-lives in vivo. To overcome the difficulties in using growth factors as therapeutic agents, we have produced fusion proteins consisting of growth factor moieties and a collagen-binding domain (CBD) derived from Clostridium histolyticum collagenase. The fusion proteins carrying the epidermal growth factor (EGF) or basic fibroblast growth factor (bFGF) at the N terminal of CBD (CBEGF/CBFGF) tightly bound to insoluble collagen and stimulated the growth of BALB/c 3T3 fibroblasts as much as the unfused counterparts. CBEGF, when injected subcutaneously into nude mice, remained at the sites of injection for up to 10 days, whereas EGF was not detectable 24 h after injection. Although CBEGF did not exert a growth-promoting effect in vivo, CBFGF, but not bFGF, strongly stimulated the DNA synthesis in stromal cells at 5 days and 7 days after injection. These results indicate that CBD may be used as an anchoring unit to produce fusion proteins nondiffusible and long-lasting in vivo.

New multivalent calixarene-based ligands for protein recognition and inhibition

One of the challenges that concerns chemistry is the design of molecules able to modulate protein-protein and protein-ligand interactions, since these are involved in many physiological and pathological processes. The interactions occurring between proteins and their natural counterparts can take place through reciprocal recognition of rather large surface areas, through recognition of single contact points and single residues, through inclusion of the substrates in specific, more or less deep binding sites. In many cases, the design of synthetic molecules able to interfere with the processes involving proteins can benefit from the possibility of exploiting the multivalent effect. Multivalency, widely spread in Nature, consists in the simultaneous formation between two entities (cell-cell, cell-protein, protein-protein) of multiple equivalent ligand-recognition site complexes. In this way the whole interaction results particularly strong and specific. Calixarenes furnish a very interesting scaffold for the preparation of multivalent ligands and in the last years calixarene-based ligands demonstrated their remarkable capability to recognize and inhibit or restore the activity of different proteins, with a high efficiency and selectivity in several recognition phenomena. The relevance and versatility of these ligands is due to the different exposition geometries of the binding units that can be explored exploiting the conformational properties of these macrocycles, the wide variety of functionalities that can be linked to their structure at different distances from the aromatic units and to their intrinsic multivalent nature. With the aim of creating new multivalent systems for protein targeting, the work reported in this thesis regards the synthesis and properties of glycocalix[n]arenes and guanidino calix[4]arenes for different purposes. Firstly, a new bolaamphiphile glycocalix[4]arene in 1,3-alternate geometry, bearing cellobiose, was synthesized for the preparation of targeted drug delivery systems based on liposomes. The formed stable mixed liposomes obtained by mixing the macrocycle with DOPC were shown to be able of exploiting the sugar units emerging from the lipid bilayer to agglutinate Concanavalin A, a lectin specific for glucose. Moreover, always thanks to the presence of the glycocalixarene in the layer, the same liposomes demonstrated through preliminary experiments to be uptaken by cancer cells overexpressing glucose receptors on their exterior surface more efficiently respect to simple DOPC liposomes lacking glucose units in their structure. Then a small library of glycocalix[n]arenes having different valency and geometry was prepared, for the creation of potentially active immunostimulants against Streptococcus pneumoniae, particularly the 19F serotype, one of the most virulent. These synthesized glycocalixarenes bearing β-N-acetylmannosamine as antigenic unit were compared with the natural polysaccharide on the binding to the specific anti-19F human polyclonal antibody, to verify their inhibition potency. Among all, the glycocalixarene based on the conformationally mobile calix[4]arene resulted the more efficient ligand, probably due its major possibility to explore the antibody surface and dispose the antigenic units in a proper arrangement for the interaction process. These results pointed out the importance of how the different multivalent presentation in space of the glycosyl units can influence the recognition phenomena. At last, NMR studies, using particularly 1H-15N HSQC experiments, were performed on selected glycocalix[6]arenes and guanidino calix[4]arenes blocked in the cone geometry, in order to better understand protein-ligand interactions. The glycosylated compounds were studied with Ralstonia solanacearum lectin, in order to better understand the nature of the carbohydrate‐lectin interactions in solution. The series of cationic calixarene was employed with three different acidic proteins: GB1, Fld and alpha synuclein. Particularly GB1 and Fld were observed to interact with all five cationic calix[4]arenes but showing different behaviours and affinities.

Chronic myeloid leukemia gene therapy delivered by cell penetrating peptides : from bench to clinic

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

Gastrointestinal absorption of Heparin by lipidization or coadministration with penetration enhancers

A review with 93 references. Heparins are high molecular weight, hydrophilic polyanions, which are unstable under acidic conditions; and therefore they exhibit poor oral bioavailability. Consequently they must be administered via the parenteral route which is expensive, inconvenient, and limits use by outpatients. The development of an oral form of heparin is warranted. This review examined the literature, mostly published between January 2000 and January 2005, pertaining to the gastrointestinal absorption of heparin by lipidization or coadministration with penetration enhancers. A lipidization strategy that was examined involved conjugation of low molecular weight heparin with deoxycholic acid. The majority of studies examined the ability of different formulations, typically utilizing penetration enhancers, to improve heparin bioavailability. The penetration enhancers used included fatty acids, Labrasol™, Gelucire 44/14™, polycationic lipophilic-core dendrons, saponins, mono-N-carboxymethyl chitosan, Carbopol® 934P, a combination of thiolated polycarbophil and glutathione, polymeric nanoparticles, polymeric microparticles, sodium N-[8-(2-hydroxybenzoyl) amino]caprylate (SNAC), and sodium N-[10-(2-hydroxybenzoyl)amino]decanoate (SNAD). The variety of models used and doses of heparin/penetration enhancers applied, however, made it difficult to compare the results between studies. Nevertheless, all of the reviewed drug delivery systems showed therapeutic value and confirmation of the promising results obtained from animal studies, by progression to clinical trials, is necessary. Overall, progress has been made in the quest for an oral heparin formulation.