Dendritic Core-Multishell Nanocarriers for the Delivery of Active Compounds

Abstract

This work investigated the applicability of novel CMS nanocarriers as drug delivery systems. Special focus was given to the aggregation behavior of the nanocarriers upon their interaction with different guest molecules. For this purpose, CMS nanocarriers with a branched outer shell were synthesized and the influence of the branched outer shell on the aggregation and transport behavior of the nanocarriers was investigated. Furthermore, pH-responsive CMS were synthesized and their intracellular drug release profile was evaluated in comparison to a stable CMS nanocarrier. In order to investigate the loading of CMS nanocarriers with the solvatochromic dyes Nile red and Coumarin 153 spectroscopic studies were performed. It was found that the spectroscopic properties and the size of the dye-loaded CMS nanocarriers are controlled by the hydrophilicity and aggregation behavior of the incorporated fluorophores. The sensitivity of the dye’s absorption and emission depends on the polarity of its immediate environment and on hydrophobic effects controlling the nanocarrier aggregation. Furthermore, it was shown by absorption and fluorescence spectroscopy that the internalization of these hydrophobic and solvatochromic dyes occurs within the outer layer of the CMS nanocarriers. The uptake of Nile red by CMS nanocarriers enhances the aggregation of the dye as indicated by hypsochromically shifted absorption bands and a concentration- dependent loss in fluorescence. This represents one of the very few examples of the formation of H-type aggregates of Nile red. For Coumarin 153 loaded CMS nanocarriers, a red shift in absorption, a blue shift in emission, and a diminution of the fluorescence quantum yield was observed upon increasing the dye loading concentration. This seems to derive from a new aggregate species of the dye with properties that have not been observed before. The loading of the CMS particles with both dyes led to an enhanced CMS nanocarrier aggregate formation. In addition, a new type of dendronized CMS nanocarrier with PG dendrons of different sizes as the outer shell was synthesized and compared to CMS nanocarriers with a linear mPEG outer shell. The CMS nanocarriers with PG dendrons of the 1st generation showed an increased transport capacity of Nile red. The 2nd generation, however, only achieved transport capacities comparable to the values obtained for mPEG-terminated CMS nanocarriers. In case of the drug methotrexate, only mPEG-terminated CMS nanocarriers were able to solubilize the guest. Nile red-loaded CMS nanocarriers exclusively formed aggregates, while the methotrexate-loaded carriers showed sizes corresponding to single CMS nanocarriers. It was shown that the formation of CMS nanocarrier aggregates cannot be prevented by replacing the mPEG outer shell with branched PG dendrons. Furthermore, it was concluded that the aggregation behavior is strongly influenced by the guest molecule. Moreover, a pathway for the synthesis of pH-responsive CMS nanocarriers was established. These responsive nanocarriers release doxorubicin more easily after cellular uptake and therefore show higher toxicity in comparison to the corresponding stable carriers. The transport of doxorubicin was achieved in unimolecular CMS nanocarriers, which again showed that the guest has a strong influence on the aggregation behavior. Finally, it was confirmed that CMS nanocarriers are efficient drug delivery systems for the topical application of hydrophilic substances to the skin. In direct comparison with lipid-based invasomes, the CMS nanocarriers show a higher penetration enhancement especially in the upper layers of the stratum corneum. Furthermore, it was shown that the used EPR- label was still active after penetration and reacted with free radicals in the skin generated by UV-irradiation.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Evaluierung neuartiger Kern- Multischale-Architekturen als Nanotransportsysteme für Wirkstoffe. Zum einen sollte die Wechselwirkung der Trägermoleküle mit verschiedenen Gastmolekülen untersucht werden und zum anderen sollte ein spaltbares System konzipiert werden, das eine gezielte Freisetzung der Gäste ermöglicht. Zur Evaluierung der Wechselwirkungen zwischen Kern-Multischalen-Nanocarriern und verschiedenen Gastmolekülen wurden Trägersysteme sowohl mit linearer als auch verzweigter Außenschale hergestellt und der Einfluss der Schalenarchitektur auf das Aggregations- und Transportverhalten der Kern-Multischale-Nanocarrier untersucht. Zusätzlich wurden die Kern-Multischale-Nanocarrier mit pH- empfindlichen Bindungen zwischen Kern und Schale ausgestattet und ihr intrazelluläres Wirkstoff-Freisetzungsprofil im Vergleich zu stabilen Kern- Multischale-Nanocarriern untersucht. Mit Hilfe spektroskopischer Methoden wurde die Beladung der Kern-Multischale-Nanocarrier mit den solvatochromen Farbstoffen Nilrot und Coumarin 153 untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die spektroskopischen Eigenschaften und das Aggregationsverhalten der farbstoffbeladenen Transportsysteme durch die Polarität und das Aggregationsverhalten der verwendeten Farbstoffe bestimmt werden. Die Absorption und Emission der Farbstoffe wurden dabei stark von der Umgebung des Farbstoffes und hydrophoben Effekten beeinflusst. Diese haben auch einen Einfluss auf das Aggregationsverhalten der Kern-Multischale-Nanocarrier. Die hydrophoben und solvatochromen Farbstoffe wurden dabei insbesondere durch die äußere Schale der Kern-Multischale-Nanocarrier aufgenommen, was mit Hilfe von UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie bewiesen werden konnte. Bei der Aufnahme von Nilrot in die Nanotransporter konnte eine Selbstaggregation des Farbstoffes beobachtet werden, die sich in einer hypsochromen Verschiebung der Absorptionsbande und einer konzentrationsabhängigen Fluoreszenzquenchung zeigt. Dies stellt eines der wenigen Beispiele dar, bei dem sogenannte H-Aggregate für den Farbstoff Nilrot beobachtet werden konnten. Die mit Coumarin 153 beladenen Kern-Multischale-Nanocarrier zeigten eine Rotverschiebung in der Absorption, jedoch eine Blauverschiebung in der Emission und ein Verminderung der Fluoreszenzquantenausbeute, die in Abhängigkeit von der Farbstoffkonzentration stehen. Diese Eigenschaften scheinen von einem neuartigen Coumarin 153-Aggregat herzurühren, das in dieser Form noch nicht beobachtet wurde. Die Beladung der Kern-Multischale- Nanocarrier führte bei beiden Farbstoffen zu einer verstärkten Aggregatbildung der Nanotransporter. Desweiteren wurde eine neue Art von Kern-Multischale- Nanocarriern hergestellt, die statt linearem mPEG unterschiedlich große PG- Dendronen als äußere Schale aufweisen. Durch die Verwendung von PG-Dendronen der ersten Generation konnte die Transportkapazität mehr als verdoppelt werden. Die Nanotransporter mit Dendronen der Generation zwei wiesen hingegen nur eine ähnlich hohe Transportkapazität wie die Kern-Multischale-Nanocarrier mit mPEG-Schale auf. Der Wirkstoff Methotrexat konnte allerdings nur mit den mPEG-funktionalisierten Nanocarrier transportiert werden. Während die mit Nilrot beladenen Kern-Multischale-Nanocarrier ausschließlich Aggregate gebildet haben, wurde durch Methotrexat die Tendenz zur Aggregatbildung verringert und es konnten nur einzelne Kern-Multischale-Nanocarrier nachgewiesen werden. Dies zeigt, dass die Aggregatbildung nicht durch die Verwendung verzweigter Bausteine in der äußeren Schale verhindert werden kann. Vielmehr lässt das den Schluss zu, dass die Aggregatbildung hauptsächlich vom Gastmolekül beeinflusst wird. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Herstellung von pH-empfindlichen Kern-Multischale-Nanotransportern. Dies wurde durch Einführung einer Imingruppe zwischen Kern und Doppelschalenbaustein erreicht, die so erhaltenen pH-empfindlichen Nanocarrier konnten Doxorubicin erfolgreich verkapseln und nach zellulärer Aufnahme wieder freisetzen. Durch die aktiv ausgelöste Freisetzung zeigten die Nanocarrier eine höhere Zelltoxizität als das stabile Vergleichssystem. Der Transport von Doxorubicin fand ausschließlich durch unimolekulare Kern-Multischale- Nanocarrier statt. Dies zeigt wiederholt, dass die Aggregation der Nanocarrier stark von der Art des zu transportierenden Moleküls abhängt. Zu guter Letzt konnte auch gezeigt werden, dass die entwickelten Kern-Multischale-Nanocarrier sehr effektiv als Wirkstofftransporter für die topische Anwendung hydrophiler Substanzen auf der Haut verwendet werden können. Im direkten Vergleich mit lipidbasierten Invasomen konnte mit den Kern-Multischale-Nanotransportern eine deutlich höhere Hautpenetration, insbesondere in die oberen Schichten des Stratum corneum, erreicht werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass das eingebrachte EPR-Label nach Penetration noch aktiv war und mit freien Radikalen in der Haut reagieren konnte, die durch UV-Strahlen generiert wurden.