In this thesis, the potential of the electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopic technique is applied to questions at the interface of dermatology, pharmacology, chemistry, and nanotechnology. The skin as the outermost part of the body is the only organ to which drugs can be administered directly for the treatment of its diseases. However, the skin also acts as the barrier between the surrounding and the internal organs. Consequently, it protects the whole body against xenobiotics of the external environment. Thereby, the skin prevents penetration of administered drugs into its deeper layers or through it. Overcoming this intrinsic barrier is of great importance in dermatology for therapy success. Nanocarriers as drug delivery systems may be a solution for penetration through the skin barrier and are candidates for drug administration. However, efficient nanocarrier fabrication requires detailed knowledge about the interaction of drugs with these nanocarriers, in particular, with respect to the localization and distribution of the drugs within them. The aim of the study presented here is to unravel such interactions for two specific types of nanocarrier, dendritic core-multishell (CMS) nanoparticles and nanostructured lipid particles (NLP), which are both promising nanocarrier candidates. Since EPR has been established as a useful tool for probing the interaction of a spin probe with its micro-environment, it was chosen here as the method of choice for identifying these interactions. However, EPR requires paramagnetic species, while drugs typically are diamagnetic. Therefore, and in the sense of a pilot study, the small paramagnetic nitroxides 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl (TEMPO) and proxyl carboxylic acid (PCA) were used as model compounds for studying their interactions with their environment. The drug Dexamethasone (Dx), used in dermatology for treating inflammatory diseases, was spin labeled with PCA (DxPCA) and utilized for investigating the interactions in both, NLP and CMS nanoparticles. Using a set of continuous wave (cw) and pulsed EPR methods at X- and W-band enabled the precise extraction of the g- and A-matrices of the paramagnetic species as well as the measurement of their relaxation times. The g- and A-matrices represent specific probes for the polarity/proticity of the micro-environment. Additionally, the spin-lattice relaxation time yields complementary data on the spin probes’ micro-environment, which is independently corroborated by the mobility of the spin probes. This EPR-derived information is then used for the localization of the spin probes within the nanocarriers. Finally, comparing all obtained data enabled presenting an "association model" for the interaction between spin probes and nanocarriers. In short, in NLPs DxPCA is dispersed within the entire lipid matrix, PCA is not loaded, and TEMPO is enriched within the core. Likewise, the evidence obtained from EPR shows that DxPCA is localized at the interface between the hydrophobic and the hydrophilic shells of CMS nanoparticles. This knowledge gained may now be used in order to design more efficient nanocarriers or to select the right ones in dependence of the drug to be delivered.
In der vorliegenden Arbeit wird ein breites methodisches Repertoire der Elektronenspin resonanz Spektroskopie (engl. electron paramagnetic resonance, EPR) auf Fragestellungen im Grenzbereich zwischen Dermatologie, Pharmakologie, Chemie und Nanotechnologie angewendet. Die Haut, als äußere Hülle unseres Körpers ist das einzige Organ, auf das Medikamente zur Behandlung von Krankheiten direkt aufgetragen werden können. Sie ist aber auch die Grenze zwischen der Umgebung und den inneren Organen, und schützt somit den Körper gegen Fremdstoffe aus der Umgebung. Daraus ergibt sich als Konsequenz, dass die Haut die Wanderung von Medikamenten in tiefere Schichten oder durch sie hindurch be-oder sogar verhindert. Deswegen ist es für die Dermatologie von großer Wichtigkeit diese natürliche Barriere zu überwinden. Die Verwendung von Botensystemen, z.B. in Form von Nanoträgern, bietet hierfür einen interessanten Lösungsansatz, da in ihnen Pharmaka über die Hautbarriere transportiert werden könnten. Die effiziente Verwendung von Nanoträgern erfordert jedoch ein detailliertes Wissen über die Wechselwirkung zwischen Träger und Pharmakon, insbesondere bezüglich der Verteilung und Lokalisation des Pharmakons im Träger. Das Ziel der hier vorgestellten Studie ist es, genau solche Wechselwirkungen für zwei bestimmte Klassen von Nanoträgern zu charakterisieren, die dendritischen Kern-Vielschalen Nanoträger (engl. core multi-shell, CMS) und die nanostrukturierten Lipidteilchen (engl. nanostructured lipid particles, NLP), beides vielversprechende Kandidaten für Nanoträger. Um die Wechselwirkungen zwischen Pharmakon und Nanoträger zu studieren, wurde hier die EPR-Spektroskopie ausgesucht, weil sie als Methode etabliert ist, um Wechselwirkungen zwischen einer Spinsonde und ihrer Mikroumgebung zu untersuchen. Allerdings müssen für die EPR-Spektroskopie paramagnetische Zentren vorliegen, während Pharmaka üblicherweise diamagnetisch sind. Deswegen, und im Sinne einer Pilotstudie wurden hier die kleinen paramagnetischen Nitroxide TEMPO und PCA als Modellverbindungen genutzt, um deren Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung zu untersuchen. Dann wurde das Pharmakon Dexamethason (Dx), welches in der Dermatologie zur Behandlung von Entzündungen eingesetzt wird, mit PCA spinmarkiert (DxPCA) und genutzt, um Wechselwirkungen in NLP und CMS Nanopartikeln zu studieren. Der Einsatz verschiedener Dauerstrich (engl. continuous wave, cw) und gepulster EPR-Methoden im X- und W-Band ermöglichte die präzise Bestimmung der g- und A-Matrizen sowie der Relaxationszeiten der paramagnetischen Spezies. Die g- und A-Matrizen sind spezifische Sonden für Polarität/Protizität der Mikroumgebung. Die Spin-Gitter-Relaxationszeit liefert darüberhinaus weitere komplementäre Informationen über die Mikroumgebung, die wiederum in unabhängiger Art und Weise durch Informationen über die Mobilität der Spinsonden gestützt wird. Die so mit der EPR-Spektroskopie erhaltenen Informationen wurden dann genutzt, um die Spinsonden in den Nanoträgern zu lokalisieren. Darüberhinaus ermöglichte ein Vergleich aller Daten die Entwicklung eines “Assoziationsmodells” für die Wechselwirkung zwischen Spinsonde und Nanoträger. Kurz zusammengefasst, DxPCA ist in der gesamten Lipidmatrix der NLPs verteilt, PCA ist nicht geladen und TEMPO wird im Kern der NLP angereichert. Ganz analog zeigen die EPR-Daten, dass DxPCA an der Grenze zwischen der hydrophoben und außer hydrophilen Schalen der CMS-Nanoträger angereichert wird. Diese Erkenntnisse können nun in der Zukunft dazu verwendet werden, um Nanoträger effizienter zu machen oder in Abhängigkeit vom Pharmakon auszuwählen.
