Improvement of dermal and transdermal therapies by nanocarrier-based drug delivery

Abstract

Skin is, from the pharmaceutical and therapeutic point of view, a very accessible organ. However, delivery of drugs to specific target regions of the skin and maintenance of a constant drug concentration is still a challenge for current topical treatments. Newly developed dermatological therapies are based on expensive and, in certain cases unstable molecules, that need an efficient delivery strategy especially when topical delivery is pursued. Approaches based on delivery systems may help overcoming such challenges. Nanocarriers are nanoscaled vehicles that can transport defined amounts of drugs. Depending on the type of nanocarrier, different drug release profiles can be achieved as well as different interactions with body barriers and cell populations. These characteristics make them attractive for several type of therapies. Skin represents a very tight barrier to the penetration of exogenous material. In fact, skin barrier is not only a physical hurdle made of several lipid layers, protein-rich corneocytes, and tight junctions, but it is also an immunological barrier made by a dense network of immune cells, e.g. dendritic cells, macrophages, and mast cells. It has been shown that these barriers mostly block nanocarriers. Nevertheless, hair follicles represent special skin structures, where nanoparticles can accumulate, build depots for drug delivery and, in small amount, even translocate to the viable skin and interact with cells of the perifollicular epithelia. In addition, different more or less invasive methods (e.g., mild barrier disruption, microneedles, or intradermal injection) can be chosen in order to target drugs to the desired skin layer. Importantly, depending on the skin layer, the nanocarrier will come in contact with different skin tissue components and cells resulting in different drug release mechanisms. Thus, the proper nanocarrier has to be chosen considering its physicochemical characteristics, the type of interaction with skin, and the purpose of the therapy. For example, nanocarriers that are supposed to overcome skin barrier and reach the systemic compartment need to be biodegradable or at least biocompatible and small enough to be excreted. In the last years, the number of nanocarrier types and variations thereof has tremendously increased. Several of studies investigated the penetration of different nanocarriers and released cargos upon topical administration on skin and many applications have been proposed for the use of nanocarriers in dermatology as well as for transdermal drug delivery. Nevertheless, systematic studies directed to correlate nanocarrier physicochemical characteristics to their skin penetration, drug delivery properties as well as biocompatibility in skin are still missing. Such investigations are needed to fully exploit the advantages of nanocarrier-based drug delivery, foster the further development of carrier systems with improved characteristics and specificities for dermal and transdermal therapies. In the studies presented in this dissertation nanocarrier physicochemical characteristics were modulated in order to test the effects of size, surface functionalization, type of cargo, softness, and thermoresponsivity on skin and hair follicle penetration as well as nanocarrier interactions with different cell populations. One of the main goals was to enhance the selectivity of the therapy by targeting cargos to specific skin areas or immune active cells. The collected data show that it is possible to adjust nanocarrier characteristics to obtain specific targeting properties. Nanocarrier size could be tuned in order to preferentially target skin resident DCs. Nanocarriers localizing preferentially in the hair follicle canals could be used to deliver the HIV-1 p24 peptide to skin DCs and fluorochromes (mimicking drugs with different hydrophilicity) to the sebaceous gland and the perifollicular tissue. Soft thermoresponsive nanogels could easily penetrate the SC, enhance skin hydration and permeability to released cargos in a temperature dependent manner, and interact with dermal DCs in skin viable layers. The herein presented biocompatible nanocarriers represent an attractive approach to improve the selectivity of dermatological and transcutaneous therapies. Interestingly, all investigated nanocarriers were found to be associated with significant percentages of antigen presenting cells depending on the degree of skin barrier disruption. DCs are key cell populations involved in adaptive immune responses as well as in inflammatory, allergic or autoimmune processes. Thus, a nanocarrier-based approach that targets drugs of these cell populations and modulate their activity could improve the therapy of several skin conditions.

Aus pharmazeutischer und therapeutischer Sicht ist die Haut als Zielorgan sehr gut geeignet. Dennoch ist das Einbringen von Wirkstoffen und die Erhaltung einer konstanten Wirkstoffkonzentration in den angezielten Regionen der Haut gegenwärtig eine Herausforderung. Neu entwickelte dermatologische Therapien basieren auf teuren und teilweise unstabilen Verbindungen, die einer effizienten Einbringung bedürfen - insbesondere wenn eine topische Behandlung angestrebt wird. Trägersystem-basierte Ansätze könnten solche Herausforderungen überwinden. Nanocarrier sind nanoskalige Vehikel, die definierte Mengen an Wirkstoffen transportieren. In Abhängigkeit vom Typ der Nanocarrier, können unterschiedliche Wirkstofffreisetzungsprofile, sowie Wechselwirkungen mit der Körperbarriere und den Zellpopulationen erreicht werden. Diese Eigenschaften machen Nanocarrier attraktiv für viele verschiedene Therapiearten. Die Haut stellt eine äußerst dichte Barriere gegen das Eindringen exogenen Materials dar. In der Tat ist die Hautbarriere nicht nur ein physisches Hindernis, das aus mehreren Lipidschichten, proteinhaltigen Korneozyten, und Tight-Junctions im Stratum Granulosum besteht, sondern auch eine immunologische Barriere, die aus einem dichten Netzwerk von Immunzellen wie dendritischen Zellen, Makrophagen und Mastzellen gebildet wird. Es hat sich gezeigt, dass Nanocarrier von diesen Barrieren größtenteils abgewehrt werden. Dennoch stellen Haarfollikel besondere Strukturen der Haut dar, in denen Nanopartikeln akkumuliert und Depots für die Wirkstofffreisetzung gebildet werden. Geringe Mengen an Nanocarrier können sich sogar in die lebenden Hautschichten verlagern, wo sie mit Zellen des perifollikuläre Gewebes interagieren. Darüber hinaus können unterschiedliche mehr oder weniger invasive Methoden (z.B. milde Schädigung der Hautbarriere, Mikronadeln oder intradermaler Injektion) gewählt werden, um Wirkstoffe in die gewünschte Hautschicht gezielt einzubringen. Bemerkenswert ist auch, dass -in Abhängigkeit zur Umgebung, in die die Nanocarrier eingebracht werden- unterschiedliche Wechselwirkungen mit Gewebebestandteile und Zellen stattfinden können, so dass sich unterschiedliche Mechanismen der Wirkstofffreisetzung daraus ergeben. Daher sollte man nur nach Abwägung der physikalisch-chemischen Eigenschaften, der Interaktion mit der Haut und dem Therapieziel, den geeigneten Nanocarrier auswählen. So sollten zum Beispiel Nanocarrier, die entwickelt wurden, um die Hautbarriere zu überwinden und das systemische Kompartiment zu erreichen, bioabbaubar oder zumindest biokompatibel sein. In den letzten Jahren haben die Anzahl der Nanocarrier- Typen und deren Variationen enorm zugenommen. Eine Reihe von Studien untersuchte das Schicksal verschiedener Nanocarrier und freigesetzter Cargos hinsichtlich der topischen Verabreichung auf der Haut. Dabei wurden viele Anwendungen für Nanocarrier in der Dermatologie, sowie für die transdermale Verabreichung vorgeschlagen. Nichtsdestotrotz fehlen noch systematische Untersuchungen, die darauf abzielen, die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Nanocarrier mit ihrer Hautpenetration, ihren Wirkstoffabgabeeigenschaften sowie ihrer Biokompatibilität im Hautgewebe zu korrelieren. Solche Untersuchungen sind erforderlich, um die Vorteile der nanocarrier-basierten Wirkstoffabgabe voll auszuschöpfen, die Weiterentwicklung von Trägersystemen mit verbesserten Eigenschaften zu fördern, und Nanocarrier spezifisch für dermale und transdermale Therapien entwickeln zu können. In den Arbeiten, die in dieser Dissertation vorgestellt sind, wurden die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Nanocarrier variiert, um die Auswirkungen von Parametern wie Größe, Oberflächen-Funktionalisierung und -Ladung, sowie Verformbarkeit und Temperatur-Ansprechvermögen, auf Haut- und Haarfollikelpenetration sowie zelluläre Aufnahme zu testen. Der Hauptzweck war eine Erhöhung der Selektivität der Therapie durch die gezielte Abgabe von Cargos in spezifische Hautbereiche oder immunaktive Zellen. Die erzeugten Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, die Eigenschaften des Nanocarriers zu bestimmen, um spezifische Targeting Effekte zu erhalten. Die Größe des Nanocarriers konnte so bestimmt werden, um vorzugsweise hautresidente dendritische Zellen zu erreichen. Nanocarrier, die sich vorzugsweise in den Haarfollikelkanälen lokalisierten, konnten verwendet werden, um das HIV-1 p24-Peptid zu dendritischen Zellen, sowie Farbstoffe, die Arzneimittel mit unterschiedlicher Hydrophilie simulierten, selektiv in Talgdrüsen und perifollikuläres Gewebe zu liefern. Verformbare und thermoempfindliche Nanogele konnten leicht ins SC penetrieren, in Abhängigkeit zur Temperatur die Haut-Hydratation und -Durchlässigkeit erhöhen, und in den lebenden Hautschichten mit dermalen dendritichen Zellen wechselwirken. Die in dieser Arbeit beschriebenen biokompatiblen Nanocarrier stellen einen attraktiven Ansatz zur Verbesserung der Selektivität dermatologischer und transkutaner Therapien dar. Interessanterweise, wurden alle untersuchten Nanocarrier - in Abhängigkeit von dem Grad der Hautbarrierestörung - von einen signifikanten Prozentsatz von Antigen- präsentierenden Zellen aufgenommen. Dendritische Zellen sind in adaptive Immunantworten, sowie entzündliche, allergische oder autoimmun Prozesse involviert. Das selektive Targeting dieser Zellen durch Nanocarriers und die Modulation deren Aktivität, könnten die Therapie vieler immunologischer Hauterkrankungen erheblich verbessern.