dc.contributor.author
Ostrowski, Anja
dc.date.accessioned
2018-06-07T16:05:44Z
dc.date.available
2015-01-12T10:10:39.049Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/2025
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-6227
dc.description.abstract
Nanoparticles (NP) with a defined size less than 100 nm in at least one
dimension possess completely new characteristics in comparison to the
corresponding bulk material. The new characteristics are currently thought to
enable various new applications. Thus, NP can nowadays be found in food,
cosmetics and clothes as well as in electronic devices and paints. Recent
developments led to biomedical applications, including drug delivery systems,
antitumor therapy and medical imaging tools. Among promising candidates for
further progress are silica nanoparticles (SiO2-NP). Among the various
modification opportunities, a surface functionalization with
N-(6-aminohexyl)-aminopropyltrimethoxysilane (AHAPS) has been successfully
employed for subsequent DNA binding and gene delivery in vivo. However, the
new properties of NP are not only promising for novel applications, they also
have to be considered having a distinct biological behavior with potential
unwanted or even toxic effects. The skin as the largest organ of the body is
an important interface between the organism and intended as well as unintended
NP contact. The penetration of NP through intact skin has been discussed
controversially in recent years. In addition, skin barrier disruptions are
very common. For example, allergic contact dermatitis (ACD) affects about 20 %
of the people in western countries. But similar as for intact skin, studies on
the penetration behavior of NP through a disrupted skin barrier have revealed
contradictory results, too. However, most studies employed physical methods to
induce a disruptive skin barrier. Only very few authors investigated the
penetration of NP in inflammatory skin conditions. Moreover, several studies
demonstrated an adjuvant capacity of NP, including unfunctionalized SiO2-NP.
It was shown that SiO2-NP exposure during allergen sensitization resulted in
an aggravation of inflammatory reaction in models of allergic skin diseases.
However, no data on the outcome of an ACD exist when allergen and NP exposure
are independent from each other. Consequently, in this in vivo study the role
of skin barrier disruptions on the penetration of fluorescently labeled AHAPS-
functionalized SiO2-NP was studied comparing a mechanical skin barrier
disruption and an inflammatory skin disease with intact skin. As model for a
mechanical skin barrier injury, the stratum corneum was removed by tape
stripping. In case of the inflammatory skin disease, an ACD was induced with
oxazolone. Following successful barrier perturbation, animals were treated
with AHAPS-functionalized SiO2-NP with a single application or five treatments
on five consecutive days, respectively. Controls received the AHAPS-SiO2-NP on
intact skin and in two further groups the particles were injected
subcutaneously. In all topically treated groups, AHAPS-functionalized SiO2-NP
were only localized extracellular between the sheet of the stratum corneum
despite severe barrier disruptions using fluorescence and transmission
electron microscopy. No particles were detected in viable epidermal layers or
in the dermis. Following subcutaneous injection, light microscopic examination
revealed a moderate infiltration of immune cells, mainly macrophages, at the
site of injection. All SiO2-NP showed a cellular association. The particles
were mainly taken up by macrophages which were identified using specific
markers. Only following five subcutaneous injections on five consecutive days,
AHAPS-functionalized SiO2-NP were localized in the regional lymph node. The
immuno-fluorescent as well as electron microscopic investigation suggested a
particle transport to the lymph nodes via antigenpresenting cells. In addition
to these findings, the light and electron microscopic analyses of the mice
revealed no toxic effects in the macrophages of the draining lymph node
despite an intracytoplasmic particle localization. In addition to the particle
penetration behavior, the course and outcome of an ACD mouse model was studied
in the presence of AHAPS-SiO2-NP. In addition to the clinical and
histopathologic evaluation, the morphometric data, i.e., epidermal thickness,
number of mast cells, eosinophils and CD4 positive cells, and the
immunoglobulin E content in the serum revealed no significant differences
between both treatment groups of ACD. Taken together, our results suggest that
AHAPS-functionalized SiO2-NP are unable to penetrate intact and barrier
disrupted skin beyond the stratum corneum. Moreover, no modulation of
inflammatory reaction was observed in a mouse model of ACD. Consequently,
other conditions or application routes have to be investigated in order to
employ AHAPS-SiO2-NP in biomedical applications where a transdermal
penetration is intended. As shown for subcutaneous injection, a five-day-
treatment period resulted in a transport of AHAPSfunctionalized NP to the
regional lymph node presumably via antigen-presenting cells. It seems that the
AHAPS-SiO2-NP are inert particles which are treated by the body as insoluble
foreign bodies. However, if no penetration of particles is desired, the
conditions studied here might be a good start for further investigations.
de
dc.description.abstract
Nanopartikel (NP) mit einer definierten Größe unter 100 nm in mindestens einer
Dimension weisen völlig neue Eigenschaften im Vergleich zum entsprechenden,
größer skalierten Grundmaterial auf. Diese neuartigen Eigenschaften
ermöglichen den Einsatz in verschiedenen, neuen Anwendungen. So sind NP
heutzutage Bestandteil von Nahrungsmitteln, Kosmetika und Kleidungsstücken,
finden sich aber auch in elektronischen Geräten und Anstrichfarben. Jüngste
Entwicklungen haben zu biomedizinischen Anwendungen, zum Beispiel als
Arzneimitteltransporter, Tumortherapeutikum und Einsatz in der bildgebenden
Diagnostik, geführt. Ein vielversprechender Kandidat für weiteren Fortschritt
sind Silica-Nanopartikel (SiO2-NP). Unter den verschiedenen
Modifizierungsmöglichkeiten hat sich eine Oberflächenfunktionalisierung mit
N-(6-aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilane (AHAPS) für die Bindung von DNA
und anschließendem in vivo Gentransport als vielversprechend erwiesen.
Allerdings sind die neuen Eigenschaften der NP nicht nur vielversprechend für
neue Anwendungen, auch ein unterschiedliches biologisches Verhalten mit
potenziell unerwünschten oder sogar toxischen Folgen muss in Betracht gezogen
werden. Die Haut ist als größtes Organ des Körpers eine wichtige Grenzfläche
zwischen dem Organismus und sowohl beabsichtigtem als auch unbeabsichtigtem
NP-Kontakt. Die Penetration von Nanopartikeln durch die intakte Hautbarriere
wurde in den letzten Jahren kontrovers diskutiert. Zudem sind
Hautbarrierestörungen weit verbreitet. Beispielsweise leiden etwa 20 % der
Menschen in westlichen Ländern an einer allergischen Kontaktdermatitis (ACD).
Ähnlich wie für die gesunde Haut ergaben Studien zum Penetrationsverhalten von
NP durch eine gestörte Hautbarriere widersprüchliche Ergebnisse. Hinzu kommt,
dass in den meisten dieser Studien physikalische Methoden zur Störung der
Hautbarriere angewendet wurden. Nur wenige Autoren untersuchten das
Penetrationsverhalten von NP in entzündlichen Hauterkrankungen. Ferner zeigten
mehrere Studien eine Adjuvans-Wirkung von NP, unter anderem auch für
unfunktionalisierte SiO2-NP. So konnte nachgewiesen werden, dass eine SiO2-NP-
Exposition während der Allergensensibilisierung zu einer verstärkten
Entzündungsreaktion allergischer Hauterkrankungen im Mausmodell führte. Jedoch
fehlen Daten zum Ausgang einer ACD, wenn die Allergensensibilisierung und die
SiO2-NP-Exposition unabhängig voneinander erfolgen. Folglich wurde in dieser
in vivo Studie die Rolle von Hautbarrierestörungen auf die Penetration von
fluoreszenzmarkierten AHAPS-funktionalisierten SiO2-NP untersucht, indem eine
mechanische Hautbarrierestörung und eine entzündliche Hauterkrankung mit dem
Penetrationsverhalten in intakter Haut verglichen wurden. Als Modell einer
mechanischen Hautbarrierestörung wurde das Stratum corneum mittels
Klebestreifen entfernt. Im Fall der entzündlichen Hauterkrankung wurde eine
ACD mit Oxazolon induziert. Nach erfolgreicher Barrierestörung erhielten die
Tiere die AHAPS-funktionalisierten SiO2-NP einmalig beziehungsweise fünf
Behandlungen an fünf aufeinander folgenden Tagen. Die Kontrollen erhielten die
AHAPS-SiO2-NP auf die intakte Haut und zwei weiteren Gruppen wurden die
Partikel subkutan injiziert. In allen topisch behandelten Gruppen konnten
trotz schwerwiegender Barrierestörung die AHAPS-funktionalisierten SiO2-NP nur
extrazellulär zwischen den Lagen des Stratum corneums mittels Fluoreszenz- und
Transmissionselektronenmikroskopie lokalisiert werden. Keine Partikel konnten
in den lebenden epidermalen Schichten oder der Dermis detektiert werden. Nach
subkutaner Injektion ergab die histologische Untersuchung der Injektionsstelle
eine moderate Infiltration mit Immunzellen, vorrangig Makrophagen. Alle
SiO2-NP zeigten eine zelluläre Assoziation. Die Partikel wurden überwiegend
von Makrophagen aufgenommen, welche mittels spezifischen Markern identifiziert
wurden. Erst nach fünf Injektionen an fünf aufeinander folgenden Tagen konnten
die AHAPSfunktionalisierten SiO2-NP im regionalen Lymphknoten lokalisiert
werden. Die Immunfluoreszenz und die elektronenmikroskopische Untersuchung
deuten auf einen Partikeltransport in die Lymphknoten via
antigenpräsentierende Zellen hin. Zudem ergaben sich aus der licht- und
elektronenmikroskopischen Untersuchung der Mäuse keine Hinweise auf toxische
Effekte in den Makrophagen der drainierenden Lymphknoten keine Hinweise auf
toxische Effekte trotz intrazytoplasmatischer Partikellokalisation. Neben dem
Penetrationsverhalten der Partikel wurde der Verlauf und Ausgang einer ACD im
Mausmodell untersucht. Zusätzlich zu der klinischen und histopathologischen
Untersuchung konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden
Behandlungsgruppen der ACD in den morphometrischen Daten, das heißt epidermale
Dicke, Anzahl der Mastzellen, eosinophilen Granulozyten und CD4 positiven
Zellen, sowie dem Gehalt an Immunglobulin E im Serum festgestellt werden.
Zusammenfassend sprechen die Ergebnisse dieser Studie dafür, dass
AHAPSfunktionalisierte SiO2-NP nicht in der Lage sind, eine intakte oder
gestörte Hautbarriere über das Stratum corneum hinaus zu überwinden. Zudem
konnte keine Beeinflussung auf die Entzündungsreaktion im Mausmodell einer ACD
beobachtet werden. Als Konsequenz lässt sich daraus schließen, dass für eine
Verwendung von AHAPS-SiO2-NP in biomedizinischen Anwendungen, in denen eine
transdermale Penetration angestrebt ist, andere Bedingungen oder
Applikationswege in Betracht gezogen und untersucht werden müssen.
Beispielsweise transportierten mutmaßlich antigenpräsentierende Zellen nach
fünftägiger subkutaner Injektion die AHAPS-funktionalisierte SiO2-NP in den
regionalen Lymphknoten. Es scheint, dass AHAPS-SiO2-NP inerte Partikel sind,
die vom Körper wie nicht lösliche Fremdkörper behandelt werden. Wird jedoch
eine Anwendung angestrebt, in der eine Partikelpenetration unerwünscht ist,
sind die hier untersuchten Bedingungen ein guter Ansatzpunkt für weitere
Untersuchungen.
de
dc.format.extent
X, 79 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
hypersensitivity
dc.subject
fluorescence microscopy
dc.subject
transmission electron microscopy
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::630 Landwirtschaft::630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche
dc.title
Silica Nanoparticles in Mouse Models of Skin Diseases
dc.contributor.firstReferee
Univ.-Prof. Dr. Achim Gruber, Ph.D.(Cornell Univ.)
dc.contributor.furtherReferee
PD Dr. Michael Veit
dc.contributor.furtherReferee
Univ.-Prof. Dr. Christa Thöne-Reineke
dc.date.accepted
2014-12-05
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000098203-3
dc.title.subtitle
Local Penetration, Systemic Distribution and Effect on Allergic Contact
Dermatitis
dc.title.translated
Silica Nanopartikel in Mausmodellen von Hauterkrankungen
de
dc.title.translatedsubtitle
Lokale Penetration, Systemische Verteilung und Einfluss auf allergische
Kontaktdermatitis
de
refubium.affiliation
Veterinärmedizin
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000098203
refubium.note.author
Mensch und Buch Verlag
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FUDISS_derivate_000000016301
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free
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open access