Untersuchungen zur systemischen Verteilung von Eisenoxid-Nanopartikeln im Organismus nach intravenöser Applikation sowie zum therapeutischen Effekt von wirkstoffassoziierten Nanopartikeln nach der Thermotherapie im C3H- Mammakarzinom-Modell der Maus

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden Eisenoxid-Nanopartikel (FeOx-NP) mit unterschiedlichen Oberflächenmodifikationen untersucht. Die jeweiligen NP- Arten basierten alle auf den selben superparamagnetischen Grundpartikeln, die aus 12–15 nm großen FeOx-Kernen aufgebaut wurden, welche von einer 5 nm dicken SiO2 Schale umhüllt waren. Die SiO2 Schicht bot freie OH-Gruppen, an die verschiedene Oberflächenmodifikationen gebunden werden konnten. Es wurden vier wirkstoffassoziierte NP-Konjugate für die intratumorale Applikation hergestellt und deren therapeutischer Effekt im C3H-Mammakarzinom-Modell der Maus geprüft. Als Wirkstoffe kamen hierbei folgende Zytostatika zum Einsatz: Cisplatin, das an die Silica-Hülle der NP assoziiert war; Doxorubicin, das in eine gebundene dsDNA interkalierte; Methotrexat, das über eine ssDNA konjugiert wurde und Paclitaxel, das als Nanosuspension mit den NP gemeinsam appliziert wurde. Die Konjugate aus superparamagnetischen Nanopartikeln und Zytostatika wurden durch die Art der Bindung so konstruiert, dass eine thermosensitive, lokale Freisetzung der therapeutisch wirksamen Substanz mittels eines externen Magnetwechselfeldes möglich war. Leider konnte mit keiner der hier getesteten wirkstoffassoziierten NP-Konjugate, anhand des Tumorvolumens, ein positiver therapeu¬tischer Effekt nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden PEGylierte Eisenoxid-Nanopartikel eingesetzt, mit der die Anreicherung der Partikel in den Organen und im Tumor nach systemischer Applikation im C3H-Mammakarzinom-Modell der Maus untersucht wurde. Hierbei zeigte sich, dass die systemische Verteilung der PEGylierten NP in den untersuchten Organen zeitabhängig variierte. In der Leber konnte der größte Anteil des applizierten Eisens wiedergefunden werden. Der Fe-Gehalte im Blut und in der Leber nahm mit der Zeit ab, wohingegen in der Milz und im Tumor eine Anreicherung an Eisen zu verzeichnen war. Zusätzlich wurde getestet, ob es möglich war, diese passive Anreicherung im Tumor durch eine regionale Erwärmung des Tumors weiter zu steigern. Dank der verlängerten Zirkulationszeiten im Blut und des EPR-Effektes konnte nach 72 h eine 1,5-fache Verbesserung der passiven Anrei-cherung nachgewiesen werden. Die Erkenntnisse dieser Studien können für kommende Therapieformen mit Eisenoxid- Nanopartikeln in Kombination mit einem gekoppelten Zytostatikum und/oder Targeting Liganden sehr nützlich sein.

In the present work iron oxid nanoparticles (FeOx-NP) with different surface modifications were investigated. The respective NP-types were all based on the same basic superparamagnetic nanoparticles. They were composed of 12–15 nm FeOx cores, which were covered with a 5 nm thick SiO2 shell. The SiO2 layer provided free OH-groups, which could be used to bind various surface modifications. Four different drug-associated NP-conjugates were manufactured and designed for the intratumoral application. Their therapeutic effect were tested in an C3H mammary carcinoma mouse model. The following cytotoxic drugs were used: cisplatin, which was associated to the silica shell of the NP; doxorubicin, which was intercalated in a bound dsDNA; methotrexate, which was conjugated via an ssDNA and paclitaxel, which were applied as a nanosuspension together with the NP. The conjugates of FeOx-NPs and cytostatics were constructed so that a thermosensitive, local release of the therapeutically active drugs were feasible by using an external alternating magnetic field. However, with none of the drug associated NP conjugates a positive therapeutic effect on the basis of the tumor volume could be demonstrated. Furthermore, the accumulation of PEGylated FeOx-NP in the organs and in the tumor after systemic application was studied in an C3H mammary carcinoma mouse model. The results revealed that the systemic distribution of PEGylated NP varied time- dependent in the examined organs. In the liver, the largest percentage of the administered iron could be recovered. The iron content in the blood and in the liver decreased over time, whereas in the spleen and the tumor an accumulation of iron was observed. In addition, it was tested whether it was possible to increase this passive accumulation in the tumor by regional heating of the tumor. Due to the prolonged circulation time in the blood and the EPR effect a 1.5-fold improvement of the passive accumulation in the tumor could be detected after 72 h. The findings of these studies can be very useful for future therapies with iron oxide nanoparticles in combination with coupled cytostatics and/or targeting ligands.