Development of a system measuring adhesion forces in powder collectives

Fine powders commonly have poor flowability and dispersibility due to interparticle adhesion that leads to formation of agglomerates. Knowing about adhesion in particle collectives is indispensable to gain a deeper fundamental understanding of particle behavior in powders. Especially in pharmaceutical industry a control of adhesion forces in powders is mandatory to improve the performance of inhalation products. Typically the size of inhalable particles is in the range of 1 - 5 µm. In this thesis, a new method was developed to measure adhesion forces of particles as an alternative to the established colloidal probe and centrifuge technique, which are both experimentally demanding, time consuming and of limited practical applicability. The new method is based on detachment of individual particles from a surface due to their inertia. The required acceleration in the order of 500 000 g is provided by a Hopkinson bar shock excitation system and measured via laser vibrometry. Particle detachment events are detected on-line by optical video microscopy. Subsequent automated data evaluation allows obtaining a statistical distribution of particle adhesion forces. To validate the new method, adhesion forces for ensembles of single polystyrene and silica microspheres on a polystyrene coated steel surface were measured under ambient conditions. It was possible to investigate more than 150 individual particles in one experiment and obtain adhesion values of particles in a diameter range of 3 - 13 µm. This enables a statistical evaluation while measuring effort and time are considerably lower compared to the established techniques. Measured adhesion forces of smaller particles agreed well with values from colloidal probe measurements and theoretical predictions. However, for the larger particles a stronger increase of adhesion with diameter was observed. This discrepancy might be induced by surface roughness and heterogeneity that influence small and large particles differently. By measuring adhesion forces of corrugated dextran particles with sizes down to 2 µm it was demonstrated that the Hopkinson bar method can be used to characterize more complex sample systems as well. Thus, the new device will be applicable to study a broad variety of different particle-surface combinations on a routine basis, including strongly cohesive powders like pharmaceutical drugs for inhalation.

Optimierung der Inhalationstherapie bei Kindern und Mukoviszidose-Patienten

Die pulmonale Applikation von Arzneimitteln hat in den vergangenen Jahren zu- rnnehmend an Bedeutung gewonnen und wird vor allem in der lokalen Therapie bei Asthma, COPD und Mukoviszidose genutzt. Als neues innovatives Inhalationsgerät befindet sich der Respimat® seit 2004 auf dem Arzneimittelmarkt und ist bisher nur für Erwachsene zugelassen. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit die Anwendbarkeit und die Modifikation des Respimats® bei Kindern untersucht. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass Kinder ab einem Alter von fünf Jahren fähig sind suffizient mit dem Respimat® zu inhalieren und gute Werte für die estimierte Intrathorakaldosis zu erreichen. Besonders Kinder von 9-12 Jahren und Patienten mit DPI- oder Autohaler®-Inhalationserfahrung erreichten aufgrund eines hohen Atemflusses eine niedrigere estimierte Intrathorakaldosis als es das Potenzial des Respimats® erlaubt hätte. Durch den Einbau eines höheren internen Widerstands in den Orginalrespimat® wurde der Atemfluss signifikant verlangsamt und die Intrathorakaldosis erhöht. Des Weiteren wurden in der vorliegenden Arbeit die physikalisch-chemische Kompatibilität und die aerodynamischen Eigenschaften von Mischinhalationslösung/-suspensionen untersucht. In der Praxis mischen Muko-viszidose-Patienten oftmals mehrere Fertigarzneimittel und inhalieren diese simultan. Dadurch wird der Zeitaufwand der täglichen Inhalation reduziert und die Compliance sowie die Lebensqualität verbessert. Die 4er Kombination aus Colistimethat mit konservierungsmittelfreier Salbutamolsulfat, Ipratropiumbromidinhalationslösungen und Fluticason-17-propionatinhalationssuspension erwies sich als physikalisch-chemisch kompatibel. Die entwickelte mikrobiologische Wertbestimmungsmethode erwies sich als robust, präzise, gut reproduzierbar und erfüllte alle Anforderungen des statistischen Modells. Weiterhin wurden die aerodynamischen Eigenschaften einer praxisrelevanten 3er Mischinhalationssuspension aus Salbutamolsulfat, Ipratropiumbromid und Fluticason-17-propionat im Vergleich zu deren konsekutiven Vernebelung mittels Kaskadenimpaktion betrachtet. Die Charakteristik des erzeugten Aerosols änderte sich für simultan vernebeltes Salbutamolsulfat und Ipratropiumbromid nicht, wohingegen Fluticason-17-propionat bei simultaner Vernebelung eine Reduktion des MMADs, der delivered dose und der recovery aufwies. Dennoch ist die inhalative Glukokortikoiddosis ausreichend hoch um eine effektive antiinflammatorische Wirkung zu gewährleisten. Daher kann die simultane Inhalation der 3er Kombination empfohlen werden und somit die Compliance und die Lebensqualität von Mukoviszidosepatienten erhöht werden.rn

Untersuchung der Adhäsionskräfte in interaktiven Pulvermischungen zur Inhalation und deren Veränderung in Abhängigkeit von der Dichtigkeit der Verpackung

Die Untersuchung der Adhäsionskräfte mit Colloid Probe Technik, einer Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy=AFM), an erzeugten Carrier- und Wirkstoffkristallen bei Laborbedingungen und unter Einfluss der Luftfeuchte zeigte, dass die Adhäsion von Tiotropiumbromid Monohydrat an Mannitol deutlich höher ist als an Lactose Monohydrat. Die Kohäsionskräfte des Wirkstoffes sind stärker als die Adhäsionskräfte an Carriermaterialien. Auf dieser Grundlage wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Mischung mit Mannitol als Carrier eine kleinere Feinpartikeldosis liefert als eine Mischung mit Lactose. Diese Theorie wurde an interaktiven Pulvermischungen unter Variation von verschiedenen Einflussfaktoren überprüft. Die binare und ternäre Lactose-basierte Mischung lieferte unabhängig vom Kapselmaterial (Gelatine- und Polyethylenkapsel) eine höhere Feinpartikeldosis als die entsprechenden Mannitol-basierten Formulierungen. Die ternäre Komponente bewirkte nur bei Mannitol-basierten Mischungen eine Verbesserung der Feinpartikeldosis. Die detaillierte Untersuchung der aerodynamischen Verteilung ternärer Mischungen zeigte, dass das Kapselmaterial nur unter dem Einfluss der Luftfeuchte und Permeabilität der Blisterverpackung die interpartikulären Wechselwirkungen beeinflusst. Mischungen mit Mannitol als Carrier lieferten unabhängig vom Kapselmaterial, von Luftfeuchte/Lagerungsbedingungen und Permeabilität der Blisterverpackung eine kleinere Feinpartikeldosis als Mischungen mit Lactose als Carrier. Die Carrierart, die Permeabilität der Blisterverpackung und die Luftfeuchte wurden als Haupteinflussfaktoren auf die aerodynamischen Eigenschaften identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass AFM einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der interpartikulären Wechselwirkungen leistet und aufgrund prädiktiver Eigenschaften hilfreich in der Entwicklung inhalativer Darreichungs-formen sein kann.

Suppression des allergischen Asthmas durch regulatorische T-Zellen: Mechanismen und potenzielle therapeutische Ansätze

Das allergische Asthma ist eine weit verbreitete, immunologische Erkrankung, deren Prävalenz in den vergangenen 20 Jahren vor allem in industrialisierten Regionen drastisch zugenommen hat. Trotz intensiver Forschung und Entwicklung medikamentöser Therapien steigt die Zahl der Patienten stetig an. Charakteristisch für diese Erkrankung sind entzündliche Veränderungen in der Lunge, erhöhte Atemwegsüberempfindlichkeit (AHR), Mukusproduktion und in chronischen Fällen auch Atemwegsobstruktion. Bei der Entstehung des allergischen Asthmas wird ein anfälliges Individuum durch die Inhalation eines normalerweise unschädlichen, in der Umwelt vorkommenden Antigens (Allergen) sensibilisiert, wodurch im Körper eine eigentlich unangebrachte Immunreaktion in Gang gesetzt wird. CD4+ T-Lymphozyten und ganz besonders die Subpopulationen der T-Helfer 1 (Th1) und Th2 Zellen spielen in dem Prozess eine zentrale Rolle. Obwohl ein Großteil der Asthmatiker mit einer Atemwegseosinophilie und erhöhter Expression der Th2-typischen Zytokine IL-4 und IL-13 ein Th2-typisches Krankheitsbild aufweisen, wurden weitere Asthmaphänotypen identifiziert. Vornehmlich in Patienten, die an schwerem Asthma leiden, sind dominierende Neutrophilie und erhöhte Mengen IFN-γ in den Atemwegen nachweisbar, was auf eine Th1-gesteuerte Immunreaktion hindeutet. Eine effektive, heilende Therapie des Asthmas wurde bislang nicht entwickelt. Die Inhibition der T-Zellantwort etwa durch Applikation allergenspezifischer, regulatorischer T-Zellen (Tregs) gilt als ein vielversprechender, aber nicht vollständig erforschter Ansatz zur Kontrolle der Krankheitssymptome. In diesem Zusammenhang wurden in der vorliegenden Arbeit die Mechanismen und Effekte natürlich vorkommender CD4+CD25+Foxp3+ regulatorischer T-Zellen (nTregs) auf eine Th1 bzw. Th2-induzierte allergische Atemwegserkrankung untersucht. Anhand eines adoptiven Zelltransfermodells unter Einsatz lymphozytendefizienter Rag2-/- Mäuse konnte gezeigt werden, dass sowohl Th1 als auch Th2 Zellen, kombiniert mit mehrfacher, inhalativer Allergenprovokation, eine erhöhte AHR induzieren. Während der Transfer allergenspezifischer Th2 Zellen eine Eosinophilie in der bronchoalveolären Lavage (BAL) und vermehrte Mukusproduktion in den Atemwegen hervorrief, war in Th1-transferierten Tieren zwar eine massive Infiltration neutrophiler Granulozyten zu beobachten, eine Becherzellmetaplasie mit vermehrten, mukusproduzierenden Atemwegsepithelzellen blieb allerdings aus. In vitro und in vivo waren voraktivierte nTregs (preTregs) nur eingeschränkt in der Lage, die Th2-gesteuerte Atemwegserkrankung zu inhibieren. Im Gegensatz dazu konnten die Th1-Effektorfunktionen in vitro und die Th1-induzierte AHR und Atemwegsentzündung in vivo durch preTregs effektiv gehemmt werden, was auf eine unterschiedliche Empfindlichkeit der Th-Subpopulationen weist. Innerhalb der nTreg-vermittelten Suppression wird der sekundäre Botenstoff cAMP auf die zu supprimierende Zelle übertragen und führt zur Hemmung von Proliferation und Zytokinproduktion. Dass dieser Mechanismus nicht nur in vitro, sondern auch in der Suppression der Th2-gesteuerten allergischen Atemwegserkrankung eine Rolle spielt, konnte durch die Störung des intrazellulären cAMP-Abbaus mittels PDE4-Inhibitoren verdeutlicht werden. Sowohl die prophylaktische, als auch die therapeutische Applikation der PDE4-Inhibitoren verstärkte den regulativen Effekt der nTregs auf AHR und Entzündung, korrelierend mit erhöhten, zytosolischen cAMP-Konzentrationen in den Th2 Zellen der Lunge. Trotz des Fortschritts in der Isolation und In vitro-Expansion humaner nTregs ist die Ausbeute an Zellen äußerst limitiert und die Übertragbarkeit größerer Zellmengen nicht zuletzt aufgrund von hohem Kontaminationsrisiko während mehrtägiger In vitro-Expansion fragwürdig. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass eine Behandlung mit dem PDE4-Inhibitor die suppressive Kapazität der allergenspezifischen nTregs deutlich erhöhte. Den nTreg-vermittelten Suppressionsmechanismus durch den Einsatz von Pharmazeutika zu unterstützen bietet einen viel versprechenden und realistischen Ansatz zur Therapie des allergischen Asthmas.

Optimierung der inhalativen Therapie bei Patienten mit Cystischer Fibrose und bei Kleinkindern

Patienten mit Cystischer Fibrose müssen in der Regel verschiedene Arzneimittel mehrmals täglich inhalieren. Um den hohen Zeitaufwand dafür zu reduzieren werden die Arzneimittel häufig gemischt und simultan inhaliert. Die Kenntnis der physikalisch-chemischen Kompatibilität von Mischinhalationslösungen/ -suspensionen ist deshalb von großer Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kompatibilitäten von Mischungen aus Colistimethat-Inhalationslösung (mikrobiologische Wertbestimmung) mit verschiedenen Tobramycin-Inhalationslösungen, Budesonid (HPLC) mit 5,85%-iger Natriumchlorid-Lösung sowie mit Colistimethat-Inhalationslösung und Dornase alfa (SE-HPLC, SDS-PAGE, UV-Spektrometrie, T-SCX-Chromatographie) mit verschiedenen Tobramycin-Inhalationslösungen (Fluoreszenzpolarisations-Immunoassay) nachgewiesen. Durch das Mischen mit Tobramycin-Inhalationslösungen wurden die aerodynamischen Eigenschaften (FPF, MMAD, GSD) von Dornase alfa bei simultaner Verneblung nicht verändert (bestimmt mittels Kaskadenimpaktion).rnDurch die physiologischen und anatomischen Gegebenheiten, sowie die kognitiven Fähigkeiten kleiner Kinder stellt die effektive inhalative Therapie eine große Herausforderung dar. Der Respimat® bietet mit seiner langen Sprühdauer und den kleinen Aerosolpartikeln eine vielversprechende Alternative für die Anwendung bei Kleinkindern. In der vorliegenden Studie wurde untersucht ob bei Kindern unter 5 Jahren der Respimat® als Inhalationsgerät verwendet werden kann und welchen Grad an Hilfestellung sie für ein erfolgreiches Inhalationsmanöver benötigen.rnDie Ergebnisse der Handhabungsuntersuchung, sowie die Bewertung aufgezeichneter Inhalationsprofile zeigten, dass der Respimat® für Kinder < 4 Jahre nur in Kombination mit einer Inhalierhilfe wie dem AeroChamber Plus® verwendet werden sollte. Kinder im Alter von 4 Jahren sind mit entsprechender Schulung in der Lage mit dem Respimat® alleine zu inhalieren.rn

Cellular uptake and localization of inhaled gold nanoparticles in lungs of mice with chronic obstructive pulmonary disease

BACKGROUND: Inhalative nanocarriers for local or systemic therapy are promising. Gold nanoparticles (AuNP) have been widely considered as candidate material. Knowledge about their interaction with the lungs is required, foremost their uptake by surface macrophages and epithelial cells.Diseased lungs are of specific interest, since these are the main recipients of inhalation therapy. We, therefore, used Scnn1b-transgenic (Tg) mice as a model of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and compared uptake and localization of inhaled AuNP in surface macrophages and lung tissue to wild-type (Wt) mice. METHODS: Scnn1b-Tg and Wt mice inhaled a 21-nm AuNP aerosol for 2 h. Immediately (0 h) or 24 h thereafter, bronchoalveolar lavage (BAL) macrophages and whole lungs were prepared for stereological analysis of AuNP by electron microscopy. RESULTS: AuNP were mainly found as singlets or small agglomerates of <= 100 nm diameter, at the epithelial surface and within lung-surface structures. Macrophages contained also large AuNP agglomerates (> 100 nm). At 0 h after aerosol inhalation, 69.2+/-4.9% AuNP were luminal, i.e. attached to the epithelial surface and 24.0+/-5.9% in macrophages in Scnn1b-Tg mice. In Wt mice, 35.3+/-32.2% AuNP were on the epithelium and 58.3+/-41.4% in macrophages. The percentage of luminal AuNP decreased from 0 h to 24 h in both groups. At 24 h, 15.5+/-4.8% AuNP were luminal, 21.4+/-14.2% within epithelial cells and 63.0+/-18.9% in macrophages in Scnn1b-Tg mice. In Wt mice, 9.5+/-5.0% AuNP were luminal, 2.2+/-1.6% within epithelial cells and 82.8+/-0.2% in macrophages. BAL-macrophage analysis revealed enhanced AuNP uptake in Wt animals at 0 h and in Scnn1b-Tg mice at 24 h, confirming less efficient macrophage uptake and delayed clearance of AuNP in Scnn1b-Tg mice. CONCLUSIONS: Inhaled AuNP rapidly bound to the alveolar epithelium in both Wt and Scnn1b-Tg mice. Scnn1b-Tg mice showed less efficient AuNP uptake by surface macrophages and concomitant higher particle internalization by alveolar type I epithelial cells compared to Wt mice. This likely promotes AuNP depth translocation in Scnn1b-Tg mice, including enhanced epithelial targeting. These results suggest AuNP nanocarrier delivery as successful strategy for therapeutic targeting of alveolar epithelial cells and macrophages in COPD.

Anaesthesiological management of mediastinal tumors

The perioperative management of patients with mediastinal masses is a special clinical challenge in our field. Even though regional anaesthesia is normally the first choice, in some cases it is not feasible due to the method of operation. In these cases general anaesthesia is the second option but can lead to respiratory and haemodynamic decompensation due to tumor-associated compression syndrome (mediastinal mass syndrome). The appropriate treatment begins with the preoperative risk classification on the basis of clinical and radiological findings. In addition to anamnesis, chest radiograph, and CT, dynamical methods (e.g. pneumotachography and echocardiography) should be applied to verify possible intraoperative compression syndromes. The induction of general anaesthesia is to be realized in awake-fiberoptic intubation with introduction of the tube via nasal route while maintaining the spontaneous breathing of the patient. The anaesthesia continues with short effective agents applied inhalative or iv. If possible from the point of operation, agents of muscle relaxation are not to be applied. If the anaesthesia risk is classified as uncertain or unsafe, depending on the location of tumor compression (tracheobronchial tree, pulmonary artery, superior vena cava), alternative techniques of securing the respiratory tract (different tubes, rigid bronchoscope) and cardiopulmonary bypass with extracorporal oxygen supply are prepared. For patients with severe clinical symptoms and extensive mediastinal mass, the preoperative cannulation of femoral vessels is also recommended. In addition to fulfilling technical and personnel requirements, an interdisciplinary cooperation of participating fields is the most important prerequisite for the optimal treatment of patients.