Peptide-functionalized polymeric nanoparticles for active targeting of damaged tissue in animals with experimental autoimmune encephalomyelitis

Increased permeability of blood vessels is an indicator for various injuries and diseases, including multiple sclerosis (MS), of the central nervous system. Nanoparticles have the potential to deliver drugs locally to sites of tissue damage, reducing the drug administered and limiting associated side effects, but efficient accumulation still remains a challenge. We developed peptide-functionalized polymeric nanoparticles to target blood clots and the extracellular matrix molecule nidogen, which are associated with areas of tissue damage. Using the induction of experimental autoimmune encephalomyelitis in rats to provide a model of MS associated with tissue damage and blood vessel lesions, all targeted nanoparticles were delivered systemically. In vivo data demonstrates enhanced accumulation of peptide functionalized nanoparticles at the injury site compared to scrambled and naive controls, particularly for nanoparticles functionalized to target fibrin clots. This suggests that further investigations with drug laden, peptide functionalized nanoparticles might be of particular interest in the development of treatment strategies for MS.

Bimodality and re-entrant behaviour in the hierarchical self-assembly of polymeric nanoparticles

We show that a film of a suspension of polymer grafted nanoparticles on a liquid substrate can be employed to create two-dimensional nanostructures with a remarkable variation in the pattern length scales. The presented experiments also reveal the emergence of concentration-dependent bimodal patterns as well as re-entrant behaviour that involves length scales due to dewetting and compositional instabilities. The experimental observations are explained through a gradient dynamics model consisting of coupled evolution equations for the height of the suspension film and the concentration of polymer. Using a Flory-Huggins free energy functional for the polymer solution, we show in a linear stability analysis that the thin film undergoes dewetting and/or compositional instabilities depending on the concentration of the polymer in the solution. We argue that the formation via `hierarchical self-assembly' of various functional nanostructures observed in different systems can be explained as resulting from such an interplay of instabilities.

The potential of polymeric nanoparticles to increase the immunogenicity of the hapten clenbuterol

Micro-and nanoparticles prepared front the biodegradable and biocompatible polymers poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) and polymetylmethacrylate (PMMA) have been successfully used as immunopotentiating antigen delivery systems. In our study, this approach was used to improve polyclonal antibody production to clenbuterol (CBL), a model hapten. PLGA and PMMA nanoparticles were loaded with either CBL alone or with a clenbuterol-transferrin conjugate (CBL-Tfn) and administered subcutaneously to mice. PLGA nano-particles were administered with or without the saponin adjuvant Quil A. The anti-CBL titres present in experimental sera were determined by an enzyme immunoassay (ELISA). CBL-Tfn-loaded PLGA nanoparticles co-administered with Quil A had obvious advantages immmunologically over the currently used method of raising antibodies to CBL (the positive control). The combined adjuvanticity of Quil A and PLGA nanoparticles resulted in a positive response in all four of the mice tested and in higher antibody titles than were seen in the positive control group. Furthermore, the sustained release of immunogen from the nanoparticles permitted a reduction in immunizing frequency over the 15-week study period.

Antimicrobial efficacy of tobramycin polymeric nanoparticles for Pseudomonas aeruginosa infections in cystic fibrosis: formulation, characterisation and functionalisation with dornase alfa (DNase).

Inhaled antibiotics, such as tobramycin, for the treatment of Pseudomonas aeruginosa pulmonary infections are associated with the increase in life expectancy seen in cystic fibrosis (CF) patients over recent years. However, the effectiveness of this aminoglycoside is still limited by its inability to penetrate the thick DNA-rich mucus in the lungs of these patients, leading to low antibiotic exposure to resident bacteria. In this study, we created novel polymeric nanoparticle (NP) delivery vehicles for tobramycin. Using isothermal titration calorimetry, we showed that tobramycin binds with alginate polymer and, by exploiting this interaction, optimised the production of tobramycin alginate/chitosan NPs. It was established that NP antimicrobial activity against P. aeruginosa PA01 was equivalent to unencapsulated tobramycin (minimum inhibitory concentration 0.625 mg/L). Galleria mellonella was employed as an in vivo model for P. aeruginosa infection. Survival rates of 90% were observed following injection of NPs, inferring low NP toxicity. After infection with P. aeruginosa, we showed that a lethal inoculum was effectively cleared by tobramycin NPs in a dose dependent manner. Crucially, a treatment with NPs prior to infection provided a longer window of antibiotic protection, doubling survival rates from 40% with free tobramycin to 80% with NP treatment. Tobramycin NPs were then functionalised with dornase alfa (recombinant human deoxyribonuclease I, DNase), demonstrating DNA degradation and improved NP penetration of CF sputum. Following incubation with CF sputum, tobramycin NPs both with and without DNase functionalisation, exhibited anti-pseudomonal effects. Overall, this work demonstrates the production of effective antimicrobial NPs, which may have clinical utility as mucus-penetrating tobramycin delivery vehicles, combining two widely used CF therapeutics into a single NP formulation. This nano-antibiotic represents a strategy to overcome the mucus barrier, increase local drug concentrations, avoid systemic adverse effects and improve outcomes for pulmonary infections in CF.

Development of a melanoma therapeutic vaccine candidate by the coencapsulation of melanoma antigen peptides and toll-like receptor ligands as adjuvants into polymeric nanoparticles

Tese de doutoramento, Farmácia (Tecnologia Farmacêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Development and characterization of polymeric nanoparticles(NPs) made from functionalized poly (D,L- lactide) (PLA)polymers

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité.

Polymeric nanoparticles : from microporosity and drug release kinetics to cellular interactions

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

New grafted PLA-g-PEG polymeric nanoparticles used to improve bioavailability of oral drugs.

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp.

DERIVATIVE SPECTROPHOTOMETRIC METHOD FOR DEYERMINATION OF ACYCLOVIR IN POLYMERIC NANOPARTICLES

A derivative spectrophotometric method was validated for quzintification of acyclovir in poly (n-butylcyanoacrylate) (PBCA) nanoparticles. Specificity, linearity. precision, accuracy, recovery. detection (LOD) and quantification (LOQ) Inuits were established for method validation. First-derivative it 295.2 nm eliminated interferences from nanoparticle ingredients and presented linearity for acyclovir concentrations ranging front 1.25 to 40.0 mu g/mL. (r = 0.9999). Precision and accuracy data demonstrated good reproducibility. Recovery ranged from 99.3 to 101.2. LOD) was 0.08 mu g/mL and LOQ. 0.25 mu g/mL. Thus. the proposed method proved to be easy. low cost. and accurate, and therefore, an useful alternative to quantify acyclovir in nanoparticles.

Polymeric Nanoparticles as Oral Delivery Systems for Encapsulation and Release of Polyphenolic Compounds: Impact on Quercetin Antioxidant Activity & Bioaccessibility

A delivery system containing polymeric (Eudragit) nanoparticles has been developed for encapsulation and controlled release of bioactive flavonoids (quercetin). Nanoparticles were fabricated using a solvent displacement method. Particle size, morphology, and charge were measured by light scattering, electron microscopy and zeta-potential. Encapsulation efficiency (EE) and release profiles were determined using electrochemical methods. Molecular interactions within the particle matrix were characterized by X-ray diffraction, differential scanning calorimetry, and infrared spectroscopy. Antioxidant properties of free and encapsulated quercetin were analyzed by TBARS and fluorescence spectroscopy. Bioaccessibility of quercetin was evaluated using an in vitro digestion model. Relatively small (d a parts per thousand aEuro parts per thousand 370 nm) anionic polymeric nanoparticles were formed containing quercetin in a non-crystalline form (EE a parts per thousand aEuro parts per thousand 67 %). The main interaction between quercetin and Eudragit was hydrogen bonding. Encapsulated quercetin remained stable during 6 months storage and maintained its antioxidant activity. Quercetin bioaccessibility within simulated small intestinal conditions was improved by encapsulation. The knowledge obtained from this study will facilitate the rational design and fabrication of polymeric nanoparticles as oral delivery systems for encapsulation, protection, and release of bioactive compounds.

Derivative spectrophotometric method for determination of acyclovir in polymeric nanoparticles

A derivative spectrophotometric method was validated for quantification of acyclovir in poly (n-butylcyanoacrylate) (PBCA) nanoparticles. Specificity, linearity, precision, accuracy, recovery, detection (LOD) and quantification (LOQ) limits were established for method validation. First-derivative at 295.2 nm eliminated interferences from nanoparticle ingredients and presented linearity for acyclovir concentrations ranging from 1.25 to 40.0 µg/mL (r = 0.9999). Precision and accuracy data demonstrated good reproducibility. Recovery ranged from 99.3 to 101.2. LOD was 0.08 µg/mL and LOQ, 0.25 µg/mL. Thus, the proposed method proved to be easy, low cost, and accurate, and therefore, an useful alternative to quantify acyclovir in nanoparticles.

Light-sensitive polymeric nanoparticles based on photo-cleavable chromophores

Der Fokus dieser Arbeit liegt in dem Design, der Synthese und der Charakterisierung neuartiger photosensitiver Mikrogele und Nanopartikel als potentielle Materialien für Beladungs- und Freisetzungsanwendungen. Zur Realisierung dieses Konzepts wurden verschiedene Ansätze untersucht.Es wurden neuartige niedermolekulare lichtspaltbare Vernetzermoleküle auf der Basis von o-Nitrobenzylderivaten synthetisiert, charakterisiert und zur Herstellung von photosensitiven PMMA und PHEMA Mikrogelen verwendet. Diese sind unter Bestrahlung in organischen Lösungsmitteln quellbar und zersetzbar. Durch die Einführung anionischer MAA Gruppen in solche PHEMA Mikrogele wurde dieses Konzept auf doppelt stimuliresponsive p(HEMA-co-MAA) Mikrogele erweitert. Hierbei wurde ein pH-abhängiges Quellbarkeitsprofil mit der lichtinduzierten Netzwerkspaltung in wässrigen Medien kombiniert. Diese duale Sensitivität zu zwei zueinander orthogonalen Reizen stellt ein vielversprechendes Konzept zur Kombination einer pH-abhängigen Beladung mit einer lichtinduzierten Freisetzung von funktionellen Substanzen dar. Desweiteren wurden PAAm Mikrogele entwickelt, welche sowohl eine Sensitivität gegenüber Enzymen als auch Licht aufweisen. Dieses Verhalten wurde durch die Verwendung von (meth-)acrylatfunktionalisierten Dextranen als polymere Vernetzungsmoleküle erreicht. Das entsprechende stimuliresponsive Profil basiert auf der enzymatischen Zersetzbarkeit der Polysaccharid-Hauptkette und der Anbindung der polymerisierbaren Vinyleinheiten an diese über photospaltbare Gruppen. Die gute Wasserlöslichkeit der Vernetzermoleküle stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Beladung solcher Mikrogele mit funktionellen hydrophilen Substanzen bereits während der Partikelsynthese dar. Ein weiteres Konzept zur Beladung von Mikrogelen basiert auf der Verwendung von photolabilen Wirkstoff-Mikrogel Konjugaten. In einem ersten Schritt zur Realisierung solch eines Ansatzes wurde ein neuartiges Monomer entwickelt. Hierbei wurde Doxorubicin über eine lichtspaltbare Gruppe an eine polymerisierbare Methacrylatgruppe angebunden. Für die Freisetzung hydrophober Substanzen in wässrigen Medien wurden polymere Photolack-Nanopartikel entwickelt, welche sich unter Bestrahlung in Wasser zersetzen. Die lichtinduzierte Änderung der Hydrophobizität des Polymers ermöglichte die Freisetzung von Nilrot durch das Auflösen der partikulären Struktur. Ein interessanter Ansatz zur Verhinderung einer unkontrollierten Freisetzung funktioneller Substanzen aus Mikrogelen ist die Einführung einer stimuliresponsiven Schale. In diesem Kontext wurden Untersuchungen zur Bildung von nicht-stimulisensitiven Schalen um vorgefertigte Mikrogelkerne und zur Synthese von Hydrogelkernen in vorgefertigten polymeren Schalen (Nanokapseln) durchgeführt.

Drug delivery, entry and intracellular trafficking of polymeric nanoparticles

Polymere Nanopartikel sind kleine Teilchen, die vielseitige Einsatzmöglichkeiten für den Transport von Wirkstoffen bieten. Da Nanomaterialien in diesen biomedizinischen Anwendungen oft mit biologischen Systemen in Berührung kommen, erfordert das eine genaue Untersuchung ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen. In diesem speziellen Forschungsgebiet, welches sich auf die Interaktionen von Nanomaterialien mit biologischen Komponenten konzentriert, wurde bereits eine Vielzahl verschiedener Nanopartikel-Zell-Interaktionen (z. B. Nanotoxizität, Wirkstofftransport-mechanismen) analysiert. Bezüglich der Untersuchungen zu nanopartikulären Wirkstofftransport-mechanismen ist es im Allgemeinen akzeptiert, dass ein erfolgreicher zellulärer Transport hauptsächlich von der Aufnahme des Nanotransporters abhängt. Deshalb analysieren wir in dieser Arbeit (1) den Wirkstofftransportmechanismus für biologisch-abbaubare eisenhaltige Poly-L-Milchsäure Nanopartikel (PLLA-Fe-PMI) sowie (2) die Aufnahmemechanismen und die intrazellulären Transportwege von nicht-abbaubaren superparamagnetischen Polystyrolnanopartikeln (SPIOPSN). rnIn dieser Arbeit identifizieren wir einen bisher unbekannten und nicht-invasiven Wirkstoff-transportmechanismus. Dabei zeigt diese Studie, dass der subzelluläre Transport der nanopartikulärer Fracht nicht unbedingt von einer Aufnahme der Nanotransporter abhängt. Der identifizierte Arzneimitteltransportmechanismus basiert auf einem einfachen physikochemischen Kontakt des hydrophoben Poly-L-Milchsäure-Nanopartikels mit einer hydrophoben Oberfläche, wodurch die Freisetzung der nanopartikulären Fracht ausgelöst wird. In Zellexperimenten führt die membranvermittelte Freisetzung der nanopartikulären Fracht zu ihrem sofortigen Transport in TIP47+- und ADRP+- Lipidtröpfchen. Der Freisetzungsmechanismus („kiss-and-run") kann durch die kovalente Einbindung des Frachtmoleküls in das Polymer des Nanopartikels blockiert werden.rnWeiterhin wird in Langzeitversuchen gezeigt, dass die Aufnahme der untersuchten polymeren Nanopartikel von einem Makropinozytose-ähnlichen Mechanismus gesteuert wird. Im Laufe dieser Arbeit werden mehrere Faktoren identifiziert, die in diesem Aufnahmemechanismus eine Rolle spielen. Darunter fallen unter anderem die kleinen GTPasen Rac1 und ARF1, die die Aufnahme von SPIOPSN beeinflussen. Darauffolgend werden die intrazellulären Transportwege der Nanopartikel untersucht. Mit Hilfe eines neuartigen Massenspektrometrieansatzes wird der intrazelluläre Transport von nanopartikelhaltigen endozytotischen Vesikeln rekonstruiert. Intensive Untersuchungen identifizieren Marker von frühen Endosomen, späten Endosomen/ multivesikulären Körpern, Rab11+- Endosomen, Flotillin-Vesikeln, Lysosomen und COP-Vesikeln. Schließlich wird der Einfluss des lysosomalen Milieus auf die Proteinhülle der Nanopartikel untersucht. Hier wird gezeigt, dass die adsorbierte Proteinhülle auf den Nanopartikeln in die Zelle transportiert wird und anschließend im Lysosom abgebaut wird. rnInsgesamt verdeutlicht diese Arbeit, dass die klassische Strategie des nanopartikulären und invasiven Wirkstofftransportmechanismuses überdacht werden muss. Weiterhin lässt sich aus den Daten schlussfolgern, dass polymere Nanopartikel einem atypischen Makropinozytose-ähnlichen Aufnahmemechanismus unterliegen. Dies resultiert in einem intrazellulären Transport der Nanopartikel von Makropinosomen über multivesikuläre Körperchen zu Lysosomen.rn

Polymeric alginate nanoparticles containing the local anesthetic bupivacaine

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