Einfluß von oberflächenmodifizierenden Tensiden auf das pharmakokinetische Verhalten von PMMA-Nanopartikeln in tumortragenden Mäusen: in vitro und in vivo Untersuchungen zum möglichen Einsatz von nanopartikulären Arzneimittelnträgern in der Onkologie

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluß der Veränderung von Oberflächeneigenschaften von PMMA-Nanopartikeln durch Tenside auf die Anreicherung in verschiedenen Tumoren zu testen. Durch Gammabestrahlung hergestellte Polymethylmethacrylat-(PMMA)-Nanopartikel wurden mit drei unterschiedlichen Tensiden (Polysorbat 80, Poloxamer 407, Poloxamin 908) beschichtet. Der Einfluß der Tenside auf die Hauptmerkmale der Partikel wurde in vitro und in vivo untersucht und mit den unbeschichteten Partikeln verglichen. Im ersten Teil der Untersuchungen wurden die Nanopartikel hinsichtlich ihrer für den in vivo-Einsatz wichtigen physikochemischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei wurden die Größen der Partikelpräparationen in destilliertem Wasser und nach Inkubation im Plasma untersucht, um eine Aussage über die intravenöse Applizierbarkeit zu erhalten. Es kam nach Zugabe der Tenside zu einer deutlichen Reduktion der Partikelaggregategrößen im Vergleich zu der unbeschichteten Gruppe. Die tensidbeschichteten Partikel waren auch noch nach einem Zeitraum von 3 Tagen stabil und zeigten keine Veränderung in der Größenverteilung. Die Ergebnisse der Stabilitätsuntersuchungen konnten durch die Reduktion des Zetapotentials der beschichteten Zubereitungen im Vergleich zu der unbeschichteten Gruppe bestätigt werden. Die mit dem Größenmeßgerät LS 230 gefundenen Partikeldurchmesser konnten mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen bestätigt werden. Mit Hilfe der 2-D-Gelelekrophorese wurde das Proteinadsorptionsmuster der Partikelzubereitungen nach Inkubation in humanem Plasma und Serum bestimmt. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Körperverteilung der vier Nanopartikelpräparationen in drei verschiedenen Tumormodellen untersucht. 1\. In einem murinen Melanommodell konnte eine maximale Tumoranreicherung der PMMA-Nanopartikel, die mit Poloxamer 407 und Poloxamin 908 beschichtet wurden, von bis zu 14,5% und 15,6% nach einer Zeit von 2 Stunden ermittelt werden. 2\. Eine wesentlich geringere Anreicherung (<1%) der Partikel wurde im tumorösem Gewebe eines humanen Mammakarzinommodells gefunden. 3\. Für den dritten Versuch mußte mit Hilfe von entsprechenden Vorversuchen ein Gehirntumormodell entwickelt werden, das die besonderen Verhältnisse der Blut-Hirntumor-Schranke mit berücksichtigt. Dazu war ein intrazerebrales Wachstum der Tumorzellen nötig.Mit keiner Partikelpräparation konnte in der tumortragenden im Vergleich zur tumorfreien Gehirnhemisphäre eine höhere Konzentration erzielt werden. In allen drei Versuchen konnte nur mit den Partikelpräparationen, die mit Poloxamer 407 und Poloxamin 908 beschichtet wurden, eine langanhaltende und hohe Konzentration im Blut erreicht werden. Die zur Charakterisierung der Neoangiogenese durchgeführte Untersuchung zeigten in den drei Tumormodellen eine unterschiedlich starke VEGF- und Flk-1-Expression. Es scheint, daß die Höhe der Partikelkonzentration im Tumor nicht nur von der Partikeloberflächenmodifikation (Tensidbeschichtung)abhängig ist, sondern besonders vom Grad der Bildung neuer tumorinduzierter Blutgefäße. Mit keinem der ermittelten in-vitro Ergebnisse konnte eine prädiktive Aussage über das Verhalten der Partikel im Körper gemacht werden. Um von den physikochemischen Eigenschaften der kooloidalen Trägersysteme auf die Verteilung im Organismus schließen zu können, ist es notwendig, nach geeigneten Merkmalen zu suchen. Desweiteren erscheint es, aufgrund der gefundenen unterschiedlich hohen PMMA- Konzentrationen in den verschiedenen Tumoren, in der Zukunft zwingend erforderlich, eine noch speziellere tumor- und patientenangepaßte Therapie vorzunehmen.

The aim of the study was to evaluate the influence of surfactants adsorbed onto PMMA-nanoparticles on their surface properties and the enrichment in different tumors. Polymethylmethacrylat-(PMMA)-nanoparticles produced by gamma irradiation were coated with three different surfactants (polysorbat 80, poloxamer 407, poloxamine 908). The influence of the surfactants on certain characteristics of the particles was investigated in vitro and in vivo and was compared to the uncoated particles. In the first part of the investigations the particles were characterized physico-chemically. The size of the particles in distilled water and after incubation in plasma was determined to obtain information on the feasibility of an i.v. administration. There was a clear reduction of particle aggregation indicated by a reduced size after the addition of surfactants in comparison to the uncoated formulation. The particles, that were coated with surfactants were stable over 3 days without any significant change of particle size distribution. The results of the stability investigations were confirmed by the zeta-potential measurements. The coated particles showed a reduction of the zeta-potential in comparision to the uncoated group. The size of the particle diameter measured by laser light diffraction was in the same range as detected by electron microscopy. The patterns of the protein adsorption onto the different particles was estimated in human serum and plasma with the 2-D-gel electrophoresis. In the second part of the investigations the body distribution of the four particle batches was detected in three different tumor models. 1.In a murine melanoma model a maximum concentration of 14,5% and 15,6% respectivly, of the administered dose of poloxamer 407 and poloxamine 908 coated particles was found in the tumor at 2 hours after injection. 2.A much lower enrichment (<1%) of particles in the tumor was found using a breast cancer xenograft model. 3.For the third trial it was necessary to develop a glioblastoma-model in order to consider the special conditions of the blood-brain-tumor-barrier. Therefore, an intracerebral growth of the tumor cells was essential. With none of the particle formulations a higher concentration in the tumor-bearing than in the tumor-free brain hemisphere was obtained. In all three trials only for the poloxamer 407 and poloxamine 908 coated particles a prolonged circulation and high blood concentration was found. The investigations performed to characterize the neoangiogenesis in the three tumor models used showed a very different VEGF- and FLK-1-expression. It seemed that the altitude of the particle concentration in the tumorous tissue depended on the degree of the tumor-induced blood vessels. None of the studies in vitro-properties correctly predicted the behaviour of the particles in vivo. In the future it will be necessary to look for more suitable features to correlate the physicochemical properties of colloidal systems with their body distribution. Furthermore, it seems to be necessary to use a more individual tumor- and patient-adapted therapy, because of the different particle concentrations in different tumors of the performed experiments.