Herstellung, in vitro und in vivo Charakterisierung oberflächenmodifizierter Nanopartikel auf der Basis geeigneter Trägersysteme

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, neuartige, nanostrukturierte Arzneistoffträgersysteme herzustellen, welche eine flexible Oberflächenmodifikation mittels elektrostatischer Wechselwirkungen ermöglichen. Eine Untersuchung der Eigenschaften dieser Systeme sollte in vitro als auch in vivo erfolgen. Bei der Bearbeitung der Thematik wurden zwei verschiedene Arten kolloidaler Arzneistoffträgersysteme verwendet: Selbstaggregierende nanopartikuläre Systeme auf Polyelektrolytbasis sowie feste Polymernanopartikel auf Acrylatbasis.

Partikuläre Verteilungsprozesse können mittels Optical Imaging in vivo untersucht werden. Deshalb wurden NIR-aktive Cyaninfarbstoffe (z.B. Tetrasulfocyanin, Indocyaningrün) durch Komplexierung mit entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten wie PEI oder katischer Stärke in nanopartikuläre Ladungskomplexe überführt. Eine stabile Funktionalisierung der Partikeloberfläche wurde durch kombinierte Ladungstitration mit einem sterisch stabilisierenden Blockcopolymer (Glu(10)-b-PEG(110)) und einem potentiellen Rezeptor-Liganden (NADP) erzielt. Die Bildung von J‑Aggregaten im Zuge der Komplexherstellung ermöglichte eine spezifische Analytik, wichtig vor allem für Aussagen zur Komplexstabilität. Aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften stellen die beschriebenen NIR-aktiven, oberflächenmodifizierbaren Nanopartikel ein interessantes Testsystem für in vitro und in vivo Untersuchungen dar.

Zur Überwindung des Problems der pH-abhängigen Löslichkeit wurde die schwache Arzneistoffbase Vatalanib succinat mit Hilfe des anionisch modifizierten beta- Cyclodextrinphosphats in einen nanopartikulären Komplex überführt. Anhand physikochemischer Untersuchungen (FTIR, DSC, XR-PD) wurde gezeigt, dass es sich vermutlich um eine Kombination aus Ladungs- und Einschlusskomplex handelt. Das System wurde erfolgreich elektrostatisch oberflächenmodifiziert und stellt eine Formulierungs-alternative dar, um positiven Einfluss auf die Bioverfügbarkeit des Wirkstoffes zu nehmen.

Polyelektrolytkomplexe sind sehr dynamische Systeme, weshalb ein stabilerer Einschluss von fluoreszenzaktiven Substanzen in feste Polymernanopartikel untersucht wurde. Durch Verkapselung von Polyaminen in eine PBCA-Matrix konnten kationisch funktionalisierte Nanopartikel (PBCA-PEI, PBCA-P[DMAEMA]) mittels Nanopräzipitation hergestellt werden. Sowohl wasserlösliche NIR- Farbstoffe als auch wasserunlösliche Fluoreszenzfarbstoffe wie Cumarin 6 wurden in den hydrophoben Partikelkern verkapselt. Auf der Basis elektrostatischer Wechselwirkungen wurden Oberflächenmodifikationen erfolgreich durchgeführt. Das Zellaufnahmeverhalten verschieden modifizierter PBCA-P[DMAEMA]-Nanopartikel wurde fluoreszenzmikroskopisch an HeLa-Zellen untersucht. Aufgrund der schnellen zellulären Aufnahme und Freisetzung aus den Endolysosomen besitzen die PBCA-P[DMAEMA]-Partikel ideale Voraussetzungen für eine Anwendung als diagnostisches oder therapeutisches kolloidales Arzneistoffträgersystem. Der abschließende in vivo Versuch konnte zeigen, dass Glu(10)-b-PEG(110) modifizierte PBCA-P[DMAEMA]-Nanopartikel nach i.v. Applikation in der Lage waren, über passive Anreicherungsmechanismen (EPR- Effekt) im Tumorgewebe zu akkumulieren.

The objective of this thesis was the design of new nanostructured diagnostic and therapeutic systems which offer the possibility of a flexible surface modification via electrostatic interactions. Furthermore, these nanoparticles should be characterized regarding their properties in vitro and in vivo. For this approach two different kinds of colloidal systems were used: Self assembled systems based on polyelectrolytes and solid polymeric nanoparticles with an acrylate matrix.

One opportunity to easily investigate particles distribution in vivo is Optical Imaging. Therefore, near infrared cyanine dyes such as tetrasulfocyanin were complexed with oppositely charged polyelectrolytes like PEI or cationic starch and nanoparticulate complexes were obtained. By means of a combined charge titration with the blockcopolymer Glu(10)-b-PEG(110) and the potential targeting molecule NADP stable surface modified nanoparticles were prepared. Based on the formation of J-aggregates during complex preparation the particles showed characteristic analytical properties, indicating changes in complex stability. These self assembled nanoparticles represent an interesting testing system for in vitro and in vivo applications due to their special characteristics.

To overcome the problem of pH depended solubility of the weakly basic drug vatalanib succinate, a nanoparticulate formulation was prepared via complexation with an anionic cyclodextrin phosphate. Different physicochemical investigations (FTIR, DSC and XR-PD) indicated a combination of a charge and inclusion complex for the vatalanib-cyclodextrin nanoparticles. These new complexes, which were successfully electrostatically surface modified, represent one formulation strategy that may have a positive impact on the bioavailability of the weakly basic drug vatalanib succinate.

Polyelectrolyte complexes are very dynamic systems. Therefore, a more stable encapsulation of drugs into solid polymeric nanoparticles was investigated. Due to a coprecipitation of polyamines in a polymeric matrix, cationically functionalized PBCA nanoparticles (PBCA-PEI and PBCA-P[DMAEMA]) were prepared. Water-soluble cyanine dyes as well as not water-soluble dyes like coumarin 6 were encapsulated into the hydrophobic polymeric matrix. Via electrostatic interactions surface modifications were successfully carried out. Finally, the cell uptake of different modified PBCA-P[DMAEMA] nanoparticles was investigated with HeLa cells. Both a fast uptake and release of particles from endolysosomes are ideal prerequisites for the utilization of these nanoparticles as diagnostic or therapeutic carrier systems. The subsequent animal experiment could show, that Glu(10)‑b‑PEG(110) modified PBCA-P[DMAEMA] nanoparticles were able to accumulate passively in tumor tissue via the EPR- effect.