Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

Nano-scale morphological and electrical characterization of nc-SiOxNy thin layers for photovoltaic applications

Il presente lavoro di tesi propone uno studio approfondito di proprietà morfologiche e di trasporto di carica di film sottili di SiOxNy amorfi (a-SiOxNy) e nanocristallini (nc-SiOxNy), che trovano importanti applicazioni in celle fotovoltaiche ad eterogiunzione in silicio, ad alta efficienza. Lo studio è condotto mediante caratterizzazione elettrica e morfologica attraverso tecniche di microscopia a forza atomica (AFM). Sono stati studiati campioni di a-SiOxNy cresciuti con tecnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), in cui è stata variata unicamente la distanza tra gli elettrodi durante la deposizione. Sono stati inoltre studiati campioni di nc-SiOxNy, cresciuti con PECVD con una differente percentuale di N2O come gas precursore e un differente tempo di annealing. In entrambi i casi si tratta di un materiale innovativo, le cui proprietà fisiche di base, nonostante le numerose applicazioni, sono ancora poco studiate. L'analisi morfologica, condotta mediante AFM e successiva analisi statistica delle immagini, ha permesso di determinare alcune proprietà morfologiche dei campioni. L’analisi statistica delle immagini è stata validata, dimostrandosi stabile e consistente per lo studio di queste strutture. Lo studio delle proprietà di trasporto è stato condotto mediante acquisizione di mappe di corrente con tecnica conductive-AFM. In questo modo si è ottenuta una mappa di conducibilità locale nanometrica, che permette di comprendere come avviene il trasporto nel materiale. L'analisi di questo materiale mediante tecniche AFM ha permesso di evidenziare che l'annealing produce nei materiali nanocristallini sia un clustering della struttura, sia un significativo aumento della conducibilità locale del materiale. Inoltre la distanza tra gli elettrodi in fase di deposizione ha un leggero effetto sulle dimensioni dei grani. È da notare inoltre che su questi campioni si sono osservate variazioni locali della conducibilità alla nanoscala. L’analisi delle proprietà dei materiali alla nanoscala ha contribuito alla comprensione più approfondita della morfologia e dei meccanismi di trasporto elettronico.

Proposta di traduzione in portoghese de "Il nano e l'Infanta", breve favola in versi e in rima di Luciano De Crescenzo

Oggetto dell'elaborato è una proposta di traduzione in portoghese de “Il nano e l'Infanta”, breve favola in versi e in rima di Luciano De Crescenzo. Alla presentazione dell'autore e dell'opera in questione seguono una descrizione delle principali caratteristiche del testo originale attraverso un'attenta analisi del contenuto, della forma e del suo destinatario, e un breve capitolo sulla traduzione della letteratura per l'infanzia, in cui l'attenzione è focalizzata su alcuni aspetti teorici che si sono sviluppati recentemente in merito alla traduzione in tale ambito. Infine si presenta la proposta di traduzione seguita da un commento in cui vengono discussi i maggiori ostacoli riscontrati e le scelte traduttive che sono state adottate.

Effetto del grafene e dell’ossido di grafene sulle proprietà termo-meccaniche di (nano)compositi a matrice polimerica

I materiali compositi occupano un posto di particolare rilievo in virtù non solo delle forti caratteristiche innovative da loro possedute, ma anche dalla possibilità di progettare il materiale in base alle specifiche funzionali e strutturali del sistema da realizzare. In questo lavoro di tesi sono stati valutati gli effetti di grafene e ossido di grafene sulle proprietà termo-meccaniche di formulazioni polimeriche commerciali sia di tipo termoplastico che termoindurente. In particolare sono stati valutati i metodi di dispersione delle nanocariche, ottimizzandoli per ciascuna matrice polimerica e successivamente sono stati preparati i provini necessari per la caratterizzazione dei materiali (nano)compositi ottenuti, al fine di valutare l’effetto della presenza delle nanocariche grafeniche.

Nano-stenciled RGD-gold patterns that inhibit focal contact maturation induce lamellipodia formation in fibroblasts

Cultured fibroblasts adhere to extracellular substrates by means of cell-matrix adhesions that are assembled in a hierarchical way, thereby gaining in protein complexity and size. Here we asked how restricting the size of cell-matrix adhesions affects cell morphology and behavior. Using a nanostencil technique, culture substrates were patterned with gold squares of a width and spacing between 250 nm and 2 µm. The gold was functionalized with RGD peptide as ligand for cellular integrins, and mouse embryo fibroblasts were plated. Limiting the length of cell-matrix adhesions to 500 nm or less disturbed the maturation of vinculin-positive focal complexes into focal contacts and fibrillar adhesions, as indicated by poor recruitment of ?5-integrin. We found that on sub-micrometer patterns, fibroblasts spread extensively, but did not polarize. Instead, they formed excessive numbers of lamellipodia and a fine actin meshwork without stress fibers. Moreover, these cells showed aberrant fibronectin fibrillogenesis, and their speed of directed migration was reduced significantly compared to fibroblasts on 2 µm square patterns. Interference with RhoA/ROCK signaling eliminated the pattern-dependent differences in cell morphology. Our results indicate that manipulating the maturation of cell-matrix adhesions by nanopatterned surfaces allows to influence morphology, actin dynamics, migration and ECM assembly of adhering fibroblasts.

Vapor bubble generation around gold nano-particles and its application to damaging of cells

We investigated vapor bubbles generated upon irradiation of gold nanoparticles with nanosecond laser pulses. Bubble formation was studied both with optical and acoustic means on supported single gold nanoparticles and single nanoparticles in suspension. Formation thresholds determined at different wavelengths indicate a bubble formation efficiency increasing with the irradiation wavelength. Vapor bubble generation in Bac-1 cells containing accumulations of the same particles was also investigated at different wavelengths. Similarly, they showed an increasing cell damage efficiency for longer wavelengths. Vapor bubbles generated by single laser pulses were about half the cell size when inducing acute damage.

An integrated nano-scale approach to profile miRNAs in limited clinical samples

Profiling miRNA expression in cells that directly contribute to human disease pathogenesis is likely to aid the discovery of novel drug targets and biomarkers. However, tissue heterogeneity and the limited amount of human diseased tissue available for research purposes present fundamental difficulties that often constrain the scope and potential of such studies. We established a flow cytometry-based method for isolating pure populations of pathogenic T cells from bronchial biopsy samples of asthma patients, and optimized a high-throughput nano-scale qRT-PCR method capable of accurately measuring 96 miRNAs in as little as 100 cells. Comparison of circulating and airway T cells from healthy and asthmatic subjects revealed asthma-associated and tissue-specific miRNA expression patterns. These results establish the feasibility and utility of investigating miRNA expression in small populations of cells involved in asthma pathogenesis, and set a precedent for application of our nano-scale approach in other human diseases. The microarray data from this study (Figure 7) has been submitted to the NCBI Gene Expression Omnibus (GEO; http://ncbi.nlm.nih.gov/geo) under accession no. GSE31030.

Proteome analysis of human plasma and amniotic fluid by Off-Gel isoelectric focusing followed by nano-LC-MS/MS

This paper presents a comparative proteomic analysis of human maternal plasma and amniotic fluid (AF) samples from the same patient at term of pregnancy in order to find specific AF proteins as markers of premature rupture of membranes, a complication frequently observed during pregnancy. Maternal plasma and the corresponding AF were immunodepleted in order to remove the six most abundant proteins before the systematic analysis of their protein composition. The protein samples were then fractionated by IEF Off-Gel electrophoresis (OGE), digested and analyzed with nano-LC-MS/MS separation, revealing a total of 73 and 69 proteins identified in maternal plasma and AF samples, respectively. The proteins identified in AF have been compared to those identified in the mother plasma as well as to the reference human plasma protein list reported by Anderson et al. (Mol. Cell. Proteomics 2004, 3, 311-326). This comparison showed that 26 proteins were exclusively present in AF and not in plasma among which 10 have already been described to be placenta or pregnancy specific. As a further validation of the method, plasma proteins fractionated by OGE and analysed by nano-LC-MS/MS have been compared to the Swiss 2-D PAGE reference map by reconstructing a map that matches 2-D gel and OGE experimental data. This representation shows that 36 of 49 reference proteins could be identified in both data sets, and that isoform shifts in pI are well conserved in the OGE data sets.

Structure and properties of graphene nano disks (GND) with and without edge-dopants

Graphene is one of the most important materials. In this research, the structures and properties of graphene nano disks (GND) with a concentric shape were investigated by Density Functional Theory (DFT) calculations, in which the most effective DFT methods - B3lyp and Pw91pw91 were employed. It was found that there are two types of edges - Zigzag and Armchair in concentric graphene nano disks (GND). The bond length between armchair-edge carbons is much shorter than that between zigzag-edge carbons. For C24 GND that consists of 24 carbon atoms, only armchair edge with 12 atoms is formed. For a GND larger than the C24 GND, both armchair and zigzag edges co-exist. Furthermore, when the number of carbon atoms in armchair-edge are always 12, the number of zigzag-edge atoms increases with increasing the size of a GND. In addition, the stability of a GND is enhanced with increasing its size, because the ratio of edge-atoms to non-edge-atoms decreases. The size effect of a graphene nano disk on its HOMO-LUMO energy gap was evaluated. C6 and C24 GNDs possess HOMO-LUMO gaps of 1.7 and 2.1eV, respectively, indicating that they are semi-conductors. In contrast, C54 and C96 GNDs are organic metals, because their HOMO-LUMO gaps are as low as 0.3 eV. The effect of doping foreign atoms to the edges of GNDs on their structures, stabilities, and HOMO-LUMO energy gaps were also examined. When foreign atoms are attached to the edge of a GND, the original unsaturated carbon atoms become saturated. As a result, both of the C-C bonds lengths and the stability of a GND increase. Furthermore, the doping effect on the HOMO-LUMO energy gap is dependent on the type of doped atoms. The doping H, F, or OH into the edge of a GND increases its HOMO-LUMO energy gap. In contrast, a Li-doped GND has a lower HOMO-LUMO energy gap than that without doping. Therefore, Li-doping can increase the electrical conductance of a GND, whereas H, F, or OH-doping decreases its conductance.

Regional comparisons of nano-mechanical properties of the human meniscus; structure and function

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is becoming more prevalent in today’s society. OA affects approximately 28 million adults in the United States alone and when present in the knee joint, usually leads to a total knee replacement. Numerous studies have been conducted to determine possible methods to halt the initiation of OA, but the structural integrity of the menisci has been shown have a direct effect on the progression of OA. Menisci are two C-shaped structures that are attached to the tibial plateau and aid in facilitating proper load transmission within the knee. The meniscal cross-section is wedge-like to fit the contour of the femoral condyles and help attenuate stresses on the tibial plateau. While meniscal tears are common, only the outer 1/3 of the meniscus is vascularized and has the capacity to heal, hence tears of the inner 2/3rds are generally treated via meniscectomy, leading to OA. To help combat this OA epidemic, an effective biomimetric meniscal replacement is needed. Numerous mechanical and biochemical studies have been conducted on the human meniscus, but very little is known about the mechanical properties on the nano-scale and how meniscal constituents are distributed in the meniscal cross-section. The regional (anterior, central and posterior) nano-mechanical properties of the meniscal superficial layers (both tibial and femoral contacting) and meniscal deep zone were investigated via nanoindentation to examine the regional inhomogeneity of both the lateral and medial menisci. Additionally, these results were compared to quantitative histological values to better formulate a structure-function relationship on the nano-scale. These data will prove imperative for further advancements of a tissue engineered meniscal replacement.