Core-shell and core-amphiphilic branched shell nanocarriers based on biodegradable hyperbranched polymers, as potential drug delivery systems

Abstract

This work presented the synthesis and the development of a set of novel biodegradable nanocarriers characterized by a core-shell and core-branched shell architecture. Their properties and aggregation behaviour in solution were studied and experiments to prove their biodegradability and their potential capabilities as drug delivery systems were successfully carried out. In the first section of this work, two novel hyperbranched polyesters characterized by a highly hydrophobic core were synthesized by polymerizing the triglycerol with two different alkenyl-succinic anhydride (ASA) derivatives. The unreacted accessible hydroxyl groups still present after polymerization were reacted with the free carboxylic acid of the mPEG500-succinate in order to obtain the desired water-soluble core-shell nanocarriers. The novel carriers were used to efficiently encapsulate hydrophobic dyes like pyrene and drugs such as dexamethasone and finasteride. Furthermore it was possible to obtain, under enzymatic conditions, a slow and almost linear pyrene release profile; it was possible to release over 80% or the dye encapsulated within 16 days. Interestingly, no significant release was observed under physiological conditions in absence of the enzyme. The core- shell nanocarriers form aggregates of different sizes when dissolved in aqueous media; their aggregation behaviours were studied by DLS analysis deducting that the hydrophobicity of the polymeric core is certainly the driving force for the formation of these architectures and proved its importance in order to significantly increase the loading capacity of hydrophobic guest molecules. In the second section of the work, the optimized synthesis of three new biodegradable hyperbranched polyesters characterized by different hydrophobicity, produced by reacting the triglycerol with different α–ω dicarboxylic acids (succinic acid, adipic acid and dodecanedioic acid) is described. Biodegradation tests in the presence of the enzyme CALB showed that it was possible, in one case, to hydrolyze over 50% of the ester linkages within 9 days. A novel amphiphilic branched shell was developed and synthetized by reacting an ASA bearing a C12 alkenyl substituent with an mPEG500 chain. Further attachment, via an ester bond, to the accessible hydroxyl groups of the HBPEs enable the formation of the core-amphiphilic branched shell (ABS) architecture. The properties of the core–AB-shell nanocarriers characterized by different polymeric cores were studied and initial preliminary tests to ensure their candidature as drug delivery systems were carried out using poorly water-soluble drugs like DOX and DXM and dyes like pyrene. The amphiphilic branched shell displayed a double important role on the development of the novel nanocarriers. It is increasing the loading capacity of the nanocarriers characterized by a polar polymeric core as well as helping to solubilize in aqueous media the nanocarrier having a hydrophobic polymeric core. The nanocarrier characterized by a highly hydrophobic core proved to be the best candidate for drug delivery applications; it was possible to increase the solubility of pyrene in water by a factor of over 300. Furthermore, a pseudo-linear delivery profile in the presence of enzyme (CALB) allowed a release of over 60% of the encapsulated pyrene in 9 days. Proven the high performances of the novel core-ABS nanocarriers, the work was further extended; to boost their capabilities, a more hydrophobic ABS was developed using a C18ASA in place of the previously employed C12ASA. The further attachment of the C18-ABS to the external periphery of the aforementioned hyperbranched polyesters and to the dPG enable the formation of even better performing nanocarriers. In one case, comparing two nanocarriers having the same polymeric core, but different amphiphilic shell, it was possible to denote an average increase of 40% in loading capacity of hydrophobic guest molecules when the more hydrophobic amphilphilic shell was employed. The cytotoxicity of the systems was also tested on human keratinocyte cells; all the systems displayed no cytotoxicity at a concentration of 0.05 mg/mL. Furthermore, initial skin penetration tests showed that the core-ABshell carriers are able to efficiently transport Nile red as a model therapeutic agent through this complex biological barrier. It was possible to increase - approximately eleven-fold - the transport of the guest molecule into the viable epidermis, compared to the ability of a classical base cream.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese und Entwicklung einer Reihe neuartiger biologisch abbaubarer Nanocarrier (Nanotransporter), deren Charakteristikum eine Kern-Schale-Architektur ist. Im Verlauf der Arbeit wurde die Schale durch eine innovative amphiphile und verzweigte Schale (ABS) substituiert. Die Eigenschaften und das Aggregationsverhalten der Nanocarrier in Lösungen wurden untersucht und es wurden erfolgreich Experimente hinsichtlich ihrer biologischen Abbaubarkeit und ihrer Eignung als Drug- Delivery-Systeme durchgeführt. Im ersten Abschnitt der Arbeit wurden zwei neuartige hochverzweigte Polyester (HBPE) synthetisiert, die einen stark hydrophoben Kern besitzen. Um einen wasserlöslichen Kern-Schale-Nanocarrier zu erhalten wurde zunächst Triglycerol mit zwei verschiedenen alkylierten Bernsteinsäureanhydrid-Derivaten (ASA) polymerisiert. Die nach der Polymerisation noch verfügbaren und nicht reagierten Hydroxylgruppen wurden anschließend mit den freien Carbonsäuren des mPEG500-Succinimid umgesetzt. Die neuartigen Nanocarrier wurden zur effektiven Verkapselung hydrophober Farbstoffe wie Pyren sowie von Wirkstoffen wie Dexamethason oder Finasterid verwendet. Ferner war es möglich unter enzymatischen Bedingungen eine langsame und fast lineare Freisetzung von Pyren zu erhalten; es konnten Freisetzungsraten innerhalb von 16 Tagen von über 80% des verkapselten Farbstoffs erreicht werden. Interessanterweise konnte bei Abwesenheit des Enzyms unter physiologischen Bedingungen keine signifikante Freisetzung beobachtet werden. Die Kern-Schale-Nanocarrier bilden Aggregate unterschiedlicher Größe wenn sie in wässrigen Medien gelöst werden; das Aggregationsverhalten wurde untersucht und mittels DLS – Analyse konnte als Triebkraft dieser Architekturen die Hydrophobizität der polymeren Kerne identifiziert werden was die Bedeutung der signifikanten Steigerung der Ladungskapazität der hydrophoben Gastmoleküle bestätigt. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wird die optimierte Synthese von drei neuen biologisch abbaubaren HBPE beschrieben die durch verschiedene Hydrophobizitäten charakterisiert sind. Die Herstellung erfolgt durch Reaktion von Triglycerol mit verschiedenen α ϖ Dicarbonsäuren (Bernsteinsäure, Adipinsäure und Dodecandisäure). Untersuchungen zur biologischen Abbaubarkeit durch das Enzym CALB zeigten, dass es in einem Fall möglich war über 50% der Esterbindungen innerhalb von 9 Tagen zu hydrolysieren. Durch Reaktion einer C12-alkylsubstituierten ASA (C12ASA) mit einer mPEG500-Kette konnte eine neue amphiphile und verzweigte Schale (ABS) entwickelt und synthetisiert werden. Das Verknüpfen der freien Hydroxylgruppen der HBPE durch eine Esterbindung führte zur Bildung der Kern- ABS-Architektur. Die Eigenschaften von Kern-ABS-Nanocarriern mit unterschiedlichen polymeren Kernen wurden untersucht. In ersten Versuchen wurde mittels schwer wasserlöslicher Wirkstoffe wie DOX und DXM sowie Farbstoffen wie Pyren ihre Eignung als Drug-Delivery-System geprüft. Die ABS- Architektur zeigt zwei wichtige Eigenschaften der entwickelten neuartigen Nanocarrier. In Verbindung mit einem polaren polymeren Kern wird die Ladungskapazität der Nanocarrier gesteigert, zum anderen verbessert sie die Löslichkeit in wässrigen Medien der Nanocarrier mit hydrophoben polymeren Kern. Als am besten geeignete Kandidaten für Drug-Delivery-Anwendungen wurden die Nanocarrier mit einem stark hydrophoben Kern identifiziert. Die Löslichkeit von Pyren in Wasser konnte bei ihnen um mehr als Faktor 300 gesteigert werden. Des Weiteren erreichte die pseudo-lineare Freisetzung des verkapselten Pyrens über 60% innerhalb von 9 Tagen in Gegenwart des Enzyms CALB. Nach Überprüfung des guten Struktur-Eigenschafts-Profils der neuartigen Kern-ABS-Nanocarrier wurde die Arbeit ausgeweitet. Um die Aufnahmefähigkeit von Wirkstoffen weiter zu steigern, wurde durch Verwendung eines C18ASA anstelle des zuvor verwendeten C12ASA eine noch hydrophobere ABS-Architektur entwickelt. Durch Anfügung des C18ABS an die Oberfläche der oben beschrieben HBPE und an dPG konnten Nanocarrier mit noch besserer Transportkapazität geschaffen werden. Der Vergleich zweier Nanocarrier mit gleichem polymeren Kern aber verschiedenen amphiphilen Schalen zeigte in einem Fall für den Nanocarrier mit stärkerer hydrophober amphiphiler Schale eine durchschnittliche Steigerung von 40% Ladungskapazität hydrophober Gastmoleküle. Auch die Zytotoxizität der Systeme wurde an humanen Keratinozytzellen untersucht; alle getesteten Systeme zeigten keinerlei Zytotoxizität bei Konzentrationen von 0,05 mg/mL. Des Weiteren zeigten erste Hautpenetrationstests, dass die Kern-Schale-Nanocarrier in der Lage sind den Farbstoff Nilrot, ein Modell für therapeutische Stoffe, effektiv durch die komplexe biologische Barriere zu transportieren. Im Vergleich zur Transportfähigkeit gewöhnlicher Cremes konnten etwa elfmal mehr Gastmoleküle in die obere Epidermis gebracht werden.