A thermo-responsive drug release system for combined chemohyperthermia

Abstract

Two approaches were designed for a thermally controlled release of drugs from nanoparticles. In the first project, a cis-cleavage strategy was pursued to develop a novel, self-cleaving ribozyme (termed thermozyme) that renders active upon heat. This thermozyme would be employed as a temperature-sensitive linker between nanoparticle and drug. While it should remain inactive at body temperature, the thermozyme should cleave itself at hyperthermic temperatures of 40 – 50°C releasing the attached drug. An in vitro selection and amplification procedure was utilized to identify thermozyme candidates from a large pool of random RNA sequences. No candidates with the pursued properties could be enriched from the starting pool. The absence of desired catalysts contrasts with successful experiments to develop novel ribozymes and suggests that other strategies may be needed to identify thermozymes. In the second project, a trans-cleavage strategy was developed in combination with a catalytic DNA for the controlled release of drugs from nanoparticles. Upon heat, DNAzymes were dissociated from their complementary strands that were attached to nanoparticles. These thermally released DNAzymes could then trans- cleave RNA substrate strands bridging nanoparticles and drugs. Furthermore, the oligonucleotides used were replaced by their enantiomeric isomers to ensure extended in vivo stability. This thermally controlled drug release system was successfully investigated with a fluorescent dye as a drug substitute in human serum, establishing a more than 20-fold higher release at increased temperature than at body temperature. The results demonstrated a promising prospect towards a hyperthermia induced local chemotherapy for the treatment of solid tumors.

Zwei Vorhaben wurden für eine thermisch kontrollierte Wirkstofffreisetzung von Nanopartikeln bearbeitet. Im ersten Projekt wurde eine Strategie verfolgt, um ein neuartiges Ribozym (Thermozym) zu entwickeln, das sich durch thermische Anregung selbst (in cis) spalten kann. Diese Thermozym würde als Temperatur- sensitiver Linker zwischen Nanopartikel und Wirkstoff eingesetzt werden. Während es bei Körpertemperatur inaktiv bleiben sollte, würde sich bei hyperthermischen Temperaturen von 40 – 50°C das Thermozym selbst spalten und den Wirkstoff freisetzen. Um Thermozyme aus einer zufälligen Bibliothek von RNA-Sequenzen zu identifizieren, wurde ein Verfahren zur in vitro-Selektion und Amplifikation eingesetzt. Allerdings konnten keine Kandidaten mit den angestrebten Eigenschaften angereichert werden. Die Abwesenheit möglicher Kandidaten steht im Gegensatz zu erfolgreichen Selektionen anderer Ribozyme, so dass veränderte Strategien erforderlich werden, um potentielle Thermozyme zu entwickeln. Im zweiten Projekt wurde eine trans-Spaltungsstrategie in Kombination mit einer katalytischen DNA für die kontrollierte Wirkstofffreisetzung von Nanopartikeln entwickelt. Durch Wärmezufuhr wurden DNAzyme von Nanopartikel-gebundenen Komplementärsträngen dissoziiert. Diese thermisch freigesetzten DNAzyme konnten RNA-Substratstränge (in trans) spalten, die als Brücke zwischen Nanopartikeln und Wirkstoffen dienen. Weiterhin wurden die verwendeten Oligonukleotide durch ihre enantiomeren Isomere ersetzt, um eine verlängerte in vivo Stabilität zu gewährleisten. Dieses thermische gesteuerte Freisetzungssystem für Wirkstoffe konnte erfolgreich mit einem Fluoreszenzfarbstoff als Wirkstoffersatz in Humanserum getestet werden, wobei eine mehr als 20-fache Freisetzung bei erhöhter Temperatur im Vergleich zur Körpertemperatur erzielt wurde. Die Ergebnisse weisen auf einen vielversprechenden Ansatz zur Bekämpfung von soliden Tumoren durch Hyperthermie-induzierte lokale Chemotherapie.