Dermal delivery of active agents with polyglycerol-based nanocarriers

Abstract

Non-biodegradability, low loading capacity, non-specific interaction with drugs, and low yield synthetic protocols are four main challenges that prevent many biomedical applications of polyglycerol derivatives. In this study we tried to address and solve these problems. We also showed the advantages of the synthesized materials for the biomedical applications exemplified by dermal delivery of known therapeutic agents. In the first project, new nanogel-peptide conjugates for the specific interactions with m-THPC, as targeted therapeutic agent, were synthesized and their ability to delivery this drug through the skin was evaluated. Loading capacity of nanogels was improved 16-fold compared to the nanogels without peptide segments. Furthermore, nanogel-peptide conjugates specifically loaded the targeted drug in a complex media. Our results show that peptide segments, which were synthesized and selected because they combined well, are very effective bioligands for specific interaction with the target molecules. Conjugation of these bioligands to the surface of nanocarriers, in this case, polyglycerol nanogels improved their specific biointeraction, loading capacity, and bioavailability. In the second project, short poly(lactide) segments were incorporated in the backbone of polyglycerol to obtain biodegradable polyglycerol derivatives. Due to the one-pot and straightforward synthesis, poly(lactide-co-glycerol) was synthesized on a gram scale. This copolymer was freely soluble in water and showed loading capacity as high as 14.5% w/w for tacrolimus (TAC), because of the hydrophobic poly(lactide) segments in its backbone. Skin penetration tests on human skin showed that the synthesized copolymer was able to efficiently deposit Nile red and TAC into the stratum corneum and viable epidermis. The cutaneous biodistribution profile of cargo of poly(lactide-co-glycerol), TAC, showed that 80%, 16%, and 4% of the cutaneous drug level was deposited in the stratum corneum, viable epidermis, and upper dermis, respectively. The delivered TAC efficiently suppressed the IL-2 and TSLP expressions in human skin models. One of the main goals of this project was to synthesize a biodegradable polyglycerol derivative. In order to investigate the biodegradability of the synthesized copolymer, it was incubated with skin lysates. It was found that poly(lactide-co-glycerol) efficiently is broken down to small segments. Results of this project showed that a short-chain polylactides could be incorporated in the backbone of polyglycerol; the reaction can be performed in one step and on gram scale. In spite of considerable molar ratio of poly(lactide) segments, poly(lactide-co-glycerol) are highly soluble in aqueous solutions. This is due to the fact that poly(lactide) segments are incorporated in the backbone of copolymer and they are surrounded by polyglycerol segments. Increasing the hydrophobicity of polyglycerol backbone resulted in the highest known loading capacity for a very hydrophobic drug, i.e., TAC. Biodegradability of poly(lactide-co-glycerol) in a skin-mimicked media decreased the risk of toxicity, which is very promising for future dermal delivery. In the third project, succinic acid was copolymerized with glycidol using two different catalysts, Sn(Oct)2 and novozyme. It was found that both catalysts were able to copolymerize these monomers. Interestingly, copolymerization in the presence of novozyme resulted in nanogels, because this enzyme showed a dual role including activation of monomers and catalyzing esterification of the produced copolymers. Succinic anhydride is a cheap and commercially available compound and the one-pot copolymerization with glycidol resulted in nanogels in gram quantities. To the best of our knowledge, this is the first protocol for a gram-scale synthesis of polyglycerol nanogels. The synthesized nanogels showed a high ability for loading of hydrophobic drugs such as m-THPC and TAC. Different experiments showed that poly(glycerol-succinic anhydride) nanogels were able to efficiently improve the skin penetration of their cargos. Straightforward and gram-scale synthesis, high loading capacity, skin penetration, and biodegradability of poly(glycerol-succinic anhydride) nanogels make them fascinating candidates for dermal delivery application with a minimal health risk. In the fourth project, similar to the second project, glycidol was copolymerized ε-caprolactone and biodegradable poly(glycerol-caprolactone) with the ability of loading and transport TAC through the skin. Poly(glycerol-caprolactone) was degraded by skin lysate efficiently, but it showed much lower loading capacities for TAC in comparison with poly(lactide-co-glycerol). The lower loading capacity for poly(glycerol-caprolactone) could be due to the flexibility of poly(caprolactone) segments. High biocompatibility, water solubility, biodegradability, and the ability to improve the skin penetration of its cargo show that this copolymer is a promising candidate for topical drug delivery applications. In the final project, supramolecular nanogels compromised of pillar[5]arene and guest alkyl chains were produced and used for the dermal delivery of dexamethasone. Owing to their supramolecular nature, such nanogels were able to efficiently diffuse into skin and improve the skin penetration of their cargo. This project showed that supramolecular systems are very efficient alternatives for the dermal delivery of therapeutic agents. They could be more promising when both host and guest segments are natural compounds. In summary, incorporation of ester linkages in the backbone of polyglycerols by gram scale one-pot copolymerization of glycidol with the known cyclic monomers resulted in biodegradable polyglycerols or nanogels with a high ability to load and transfer therapeutic agents into the skin.

Drei Hauptprobleme behindern, die viele biomedizinische Anwendungen von Polyglycerin-Derivaten. Die nicht vorhandene biologische Abbaubarkeit, die geringe Beladungskapazität und die schwache Wechselwirkungen mit hydrophobenWirkstoffen. In dieser Arbeit wurden, die oben genannten Probleme adressiert. Die Vorteile der synthetisierten Materialien für die biomedizinischen Anwendungen wurden am Beispiel der dermalen Wirkstoffabgabe bekannter Therapeutika untersucht. Im ersten Projekt wurden neue Nanogel-Peptidkonjugate für die spezifischen Wechselwirkungen mit Temoporfin (m-THPC) als zielgerichtetem Therapeutikum synthetisiert und ihre Fähigkeit, dieses Medikament über die Haut zu verabreichen, untersucht. Die Beladungs-Kapazität von Nanogelen mit Peptidsegmenten wurde im Vergleich zu den Nanogelen ohne Peptidsegmente um den Faktor 16 verbessert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Nanogel-Peptidkonjugate dieses gezielte Medikament in einem komplexen Medium spezifisch einschliessen. Die ausgewählten Peptidsegmente weisen sehr effektive Bioliganden für die spezifischen Wechselwirkungen mit den verwendeten Wirkstoffen auf. Die Konjugation dieser Bioliganden auf Nanotransporter, in diesem Fall Polyglycerin-Nanogelen, verbesserte deren spezifische Biointeraktionen, Beladungskapazität, sowie deren Bioverfügbarkeit. Im zweiten Projekt wurden kurze Poly(lactid)-Segmente in das Rückgrat von Polyglycerin integriert, um biologisch abbaubare Polyglycerin-Derivate zu erhalten. In der Eintopfreaktion wurde Poly(lactid-co-glycerin) im Gramm-Maßstab synthetisiert. Dieses Copolymer war wasserlöslich und zeigte aufgrund der hydrophoben Poly(lactid)-Segmente eine erhöhte Ladungskapazität von Tacrolimus (TAC) von bis zu 14,5 Gewichtsprozent. Hautpenetrationstests an der menschlichen Haut zeigten, dass das synthetisierte Copolymer in der Lage ist, Nil Rot und TAC in das Stratum corneum und in die Epidermis zu transportieren. Das kutane Biodistributionsprofil der Poly(lactide-co-glycerol) beladen mit TAC zeigte, dass 80%, des kutanen Medikamentenspiegels im Stratum corneum, 16% der Epidermis und 4% der oberen Dermis deponiert wurden. Das zum Wirkort transportierte TAC unterdrückte effizient die IL-2 und TSLP-Expressionen in menschlichen Hautmodellen. Eines der Hauptziele dieses Projekts war die Synthese von biologisch abbaubaren Polyglycerin-Derivaten. Um die biologische Abbaubarkeit des synthetisierten Copolymers zu untersuchen, wurde es mit Hautlysaten inkubiert. Hier wurde festgestellt, dass sich Poly(lactide-co-glycerol) effizient zu kleinen Segmenten abbaut. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigten, dass kurzkettiges Polylactide in das Polyglycerin Rückgrat eingebaut werden können und die Eintopfreaktion des Copolymers im Gramm-Maßstab möglich ist. Trotz des beträchtlichen Molverhältnisses von Poly(lactid)-Segmenten sind Poly(lactide-co-glycerine) gut wasserlöslich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Poly(lactid)-Segmente in das Rückgrat des Copolymers integriert und von Polyglycerin-Segmenten umgeben sind. Die Erhöhung der Hydrophobie des Polyglycerin-Grundgerüsts führte zur erhöhten Beladungskapazität für sehr hydrophobe Wirkstoffe, wie TAC. Die biologische Abbaubarkeit von Poly(lactide-co-glycerin) in den Hautmedien vermindert das Toxizität-Risiko des Transporters und ist vielversprechend für zukünftige therapeutische Anwendungen in der Haut. Im dritten Projekt wurde Bernsteinsäure mit Glycidol unter Verwendung von Zinn(II)-2-ethylhexanoat und Novozym als Katalysator copolymerisiert. Beide Katalysatoren sind in der Lage, diese Monomere zu copolymerisieren. Interessanterweise führte die Copolymerisation in Gegenwart von Novozym zu Nanogelen, da dieses Enzym zum einen die Monomeren aktiviert und die Veresterung der hergestellten Copolymere katalysiert. Bernsteinsäureanhydrid ist eine preiswerte und kommerziell erhältliche Substanz und führt in einer Eintopfreaktion im Gramm-Maßstab zur Copolymerisation mit Glycidol zu Nanogelen. Nach unserem Kenntnisstand ist dies das erste Reaktions-Protokoll für die Gramm-Synthese von Polyglycerin-Nanogelen. Die synthetisierten Nanogele weisen eine hohe Beladungs-Kapazität für hydrophoben Wirkstoffe wie m-THPC und TAC auf. Verschiedene Experimente zeigten, dass Poly(glycerin-bernsteinsäureanhydrid)-Nanogele in der Lage sind, die Hautpenetration der beladenen Wirkstoffe zu verbessern. Die einfache Synthese im Gramm-Maßstab, eine hohe Beladungskapazität, eine hohe Hautpenetration und biologische Abbaubarkeit der Poly(glycerin-bernsteinsäureanhydrid)-Nanogelen machen diese zu erfolgsversprechenden Transportern für die dermale Applikation. Im vierten Projekt wurde, ähnlich wie im zweiten Projekt, Glycidol mit ε-Caprolacton zu einem biologisch abbaubares Poly(glycerin-caprolacton) copolymersiert. Der resultierende Nanotransporter hat die Fähigkeit, TAC aufzunehmen und durch die Haut zu transportieren. Poly(glycerin-caprolacton) wurde im Hautlysat effizient abgebaut, zeigte aber im Vergleich zu Poly(lactide-co-glycerin) eine wesentlich geringere Beladungseffizienz mit TAC. Dies könnte auf die Flexibilität von den Poly(caprolacton)-Segmenten zurückzuführen sein. Hohe Biokompatibilität, Wasserlöslichkeit, biologische Abbaubarkeit und die Fähigkeit, die Hautpenetration des zu transportierenden Wirkstoffes zu verbessern, zeigen, dass dieses Copolymer ein vielversprechender Kandidat für die topische Anwendung ist. In fünften Projekt wurden supramolekulare Nanogele bestehend aus Pillar[5]arenen und Gast-Alkylketten hergestellt und für den dermale Transport von Dexamethason verwendet. Aufgrund ihrer supramolekularen Natur konnten die Nanogele effizient in die Haut diffundieren und die Hautpenetration des geladenen Wirkstoffes verbessern. Dieses Projekt zeigte, dass supramolekulare Systeme sehr effiziente Alternativen für den dermale Transport von therapeutischen Wirkstoffen darstellen. Diese könnten durch Verwendung von natürlichen vorkommenden Wirt- und Gast-Segmenten noch vielversprechender für die therapeutische Anwendung sein. Zusammengefasst führt der Einbau von Esterbindungen in das Polymerrückgrat durch eine Eintopfreaktion von Glycidol mit den oben genannten cyclischen Monomeren zu biologisch abbaubaren Polyglycerinen oder Nanogelen im Gramm Maßstab. Die hergestellten Nanotransporter weisen eine hohe Beladungskapazität für hydrophobe, therapeutische Wirkstoffe auf und können diese effizient in die Haut transportieren.