dc.contributor.author
Du, Fang
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:12:36Z
dc.date.available
2018-01-09T11:16:24.920Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/731
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4933
dc.description.abstract
This dissertation aimed at designing biodegradable CMS nanocarriers which
could efficiently deliver bioactive molecules into skin. Fundamental studies
of the interactions between CMS nanocarriers and therapeutics, or CMS with
skin layers were carried out. Specifically, drug loading, release and skin
penetration behaviors of CMS with hydrophobicity were first investigated.
Derived from this basic CMS structure, cationic CMS which could delivery both
hydrophobic drugs and biomacromolecules were further developed. This
dissertation contains three parts. In the first part, in order to find the
optimal CMS carrier for topical application, a series of degradable CMS (CMS
1-3) with different hydrophobicity were synthesized. The influence of
hydrophobicity on single-/multi-molecular aggregation behaviors were studied.
CMS 1 and 2 were mainly unimolecular micelles in aqueous solution. By further
increasing hydrophobicity, CMS 3 started forming some small clusters. Whereas,
the corresponding linear shells assembled into small micelles by
intermolecular interactions. The multi-molecular micelles were broken down
immediately in THF (less polar environment than water), while unimolecular
systems showed good stability. The model drug Dexamethasone was encapsulated
by CMS and shells via film uptake method. With increased hydrophobicity, drug
loading capacity was increased. CMS showed significantly increased drug
loading capacity compared to the corresponding shell counterparts. All the
three CMS encapsulate dexamethasone in an unimolecular way, confirmed by DLS,
while large aggregates formed by the shells upon drug loading. The release
profiles of CMS 1-3 were also compared. CMS 1 displayed only burst release,
while the other two showed biphasic release profiles. The release of
dexamethasone from CMS was decelerated by increased hydrophobicity. The in
vitro skin penetration experiment showed all the three CMS could successfully
deliver Nile red to deep skin layers and could significantly enhance the
deposition of Nile red in each skin layer, compared to conventional cream
formulation. Among the three candidates, CMS 2 showed the best performance.
The penetration pathway of CMS nanocarriers were most likely occurred in
intercellular lipids, because of the amphiphile nature of CMS and also the low
affinity between CMS nanocarriers and corneocytes (terminally differentiated
keratinocytes ), proved by cellular uptake study towards keratinocytes. The
cytotoxicity test showed CMS were non-toxic towards HaCat cells and the BCOP
test showed CMS didn’t cause any irritation to bovine eyes. In addition, CMS
nanocarriers were proved SC impermeable. Therefore, we could conclude that CMS
can be used as safe and efficient carriers for topical drug delivery. In the
second part, we focused on in vitro skin penetration of tacrolimus loaded CMS
formulation. Tacrolimus were efficiently loaded into CMS nanocarriers by
miniemulsion method. Stabled CMS formulation containing comparable Tacrolimus
amount as the commercial product Protopic ointment were successfully prepared.
Tacrolimus was released from CMS nanocarriers in a sustainable manner without
initial burst release (ca. 30% drug released within 7 days ). In vitro skin
penetration showed that CMS could significantly increase the deposition amount
of tacrolimus in each skin layer and the enhancement effect was more
significant with increased treatment time. In the third part, cationic CMS
bearing lipophilic tertiary amino groups (CMS-DEA) was designed for topical
multi-payloads delivery. For comparison, CMS without charge groups (CMS-PCL)
was also synthesized. Due to the protonation and deprotonation process of the
tertiary amine, size and zeta-potential of CMS-DEA was significantly
influenced by pH value, while negligible changes were observed in the case of
CMS-PCL. To demonstrate the universality of CMS nanocarriers, both hydrophobic
drug tacrolimus and hydrophilic biomacromolecule BSA were selected as models
to test the loading capacity. CMS-DEA displayed more superiority in both
payloads loading. Tacrolimus release from CMS-DEA was responsible to the
change of pH value. Accelerated drug release was observed at acidic pH than at
neutral pH, which enables it a smart carrier for on-demand drug release. On
the other hand, the release from CMS-PCL is independent on pH. Interactions
between CMS carriers and SC lipids were assessed via QCM. A faster and
stronger interactions between skin and CMS-DEA were observed due to
electrostatic force. At the same time, CMS-DEA also displayed stronger
fluidization effect on intercellular lipids than CMS-PCL, determined by ATR-
FTIR. In the end, to prove the concept, both nile red and FITC-BSA were
selected as probes to test skin penetration. CMS-DEA facilitated comparable
skin deposition of nile red as CMS-PCL, both of which were much better than
the conventional cream. However, CMS-DEA displayed much higher efficiency than
CMS-PCL or blank control without carrier on FITC-BSA delivery. Both CMS
carriers were proved mainly staying at the SC layer without further
penetration even in damaged SC, demonstrating less probability to cause skin
irritation. Introducing of the DEA groups slightly increased the cytotoxicity,
which can be expected from cationic material. However, compared to the other
reported cationic carriers such as PEI, the biocompatibility of CMS-DEA was
much improved and can be further improved by tuning the functional degree of
DEA groups or using other tertiary amines with pka value lower than 7.4.
de
dc.description.abstract
Ziel der Arbeit war die Entwicklung bioabbaubarer CMS Nanocarrier, welche den
Transport von biologisch aktiven Molekülen in die Haut ermöglichen sollten. Es
wurden grundlegende Studien zu Wechselwirkungen zwischen CMS Nanocarriern und
Therapeutika, sowie zwischen CMS Nanocarriern und Hautschichten durchgeführt.
Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Serie von abbaubaren CMS Nanocarriern
entwickelt (CMS 1 - 3), welche sich in der Hydrophobizität ihrer Hülle
unterschieden. Eine Untersuchung des Aggregationsverhaltens ergab, dass die
CMS mit steigender Hydrophozität ihrer Schale eine vermehrte Tendenz zur
Bildung von CMS-Clustern aufweisen. Im Anschluss wurde das Transportverhalten
der CMS 1- 3 untersucht. Mit Hilfe der Filmmethode konnte Dexamethason in den
CMS 1 - 3 in wässriger Lösung verkapselt werden. Unter Verwendung von
Dynamischer Lichtstreuung (DLS) wurde nachgewiesen, dass die Aufnahme von
Dexamethason auf das unimolekulare Transportverhalten der CMS 1 - 3
zurückzuführen ist. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Beladung der CMS mit
Dexamethason mit steigender Hydrophobizität der Schale zunimmt, wo hingegen
die Geschwindigkeit der Freisetzung steigender Hydrophobizität der Schale
abnimmt. Die Testung der Hautpenetration der CMS 1 - 3 wurde in vitro
durchgeführt. Um die Eindringtiefe der CMS visuell bestimmen zu können, wurden
diese mit dem Farbstofff Nilrot beladen. Mit Hilfe der CMS 1-3 konnte Nilrot
erfolgreich in tiefe Hautschichten transportiert werden und im Vergleich zu
herkömmlichen Cremes in jeder Hautschicht stark angereichert werden. Aufgrund
der amphiphilen Struktur von CMS Nanocarriern findet die Hautaufnahme
vermutlich in interzellulären Lipiden statt. Die zelluläre Aufnahme in
Keratinozyten belegte die geringe Affinität von CMS und Corneozyten
(endständig differenzierte Keranozyten). CMS Nanocarrier zeigten keine
Zytotoxizität gegenüber HaCat-Zellen und es konnte keine Reizung von
Rinderaugen beim BCOP-Test beobachtet werden. Zusätzlich können die CMS
Nanocarrier aufgrund der IC-Impermeabilität als sichere und effiziente Carrier
für die topische Wirkstofffreisetzung verwendet werden. Im zweiten Teil
fokussierten wir uns auf die in vitro Penetration in die Haut Tacrolimus-
geladenen CMS Nanocarriern. Tacrolimus wurde effizient in CMS Nanocarrier mit
Hilfe der Miniemulsionsmethode verkapselt. Stabile CMS Formulierungen mit
einem vergleichbaren Tacrolimus-Gehalt wie das kommerziell erhältliche Produkt
Protopic iontment wurden erfolgreich hergestellt. Tacrolimus wurde nicht
schlagartig sondern kontinuierlich aus den CMS Nanocarriern freigesetzt
(Freisetzung von ca. 30% Wirkstoff innerhalb von 7 Tagen). Die in vitro
Penetration in die Haut zeigte, dass CMS Nanocarrier die Freisetzung von
Tacrolimus in jeder Hautschicht signifikant erhöhen konnten und der Effekt
sogar nach längerer Behandlungszeit verstärkt wurde. Im dritten Projekt wurden
kationische CMS mit lipophilen, tertiären Aminogruppen (CMS-DEA) für die
topische Freisetzung von verschiedenen Substanzen konzipiert und zum Vergleich
wurde ein CMS ohne geladene Gruppen (CMS-PCL) hergestellt. Aufgrund von
Protonierung und Deprotonierung des tertiären Amins wurden Größe und
Zetapotential des CMS-DEA signifikant durch den pH-Wert beeinflusst, während
nur vernachlässigbare Änderungen im Fall des CMS-PCL beobachtet werden
konnten. Um die Vielseitigkeit der CMS Nanocarrier zu demonstrieren, wurden
der hydrophobe Wirkstoff Tacrolimus und das hydrophile Biomakromolekül BSA als
Modelle für die Testung der Ladekapazität ausgewählt. CMS-DEA zeigte eine
deutlich bessere Ladekapazität für beide Moleküle als das neutrale CMS-PCL.
Die Freisetzung von Tacrolimus aus CMS-DEA wurde stark von der Änderung des
pH-Wertes beeinflusst. Eine erhöhte Wirkstofffreisetzung wurde bei einem
saurem pH-Wert beobachtet, womit der Carrier als smarter Carrier für die
schlagartige Wirkstofffreisetzung eingesetzt werden kann. Im Gegensatz dazu
ist die Wirkstofffreisetzung aus dem neutralen CMS-PCL unabhängig vom pH-Wert.
Interaktionen zwischen CMS Carriern und SC Lipiden wurden mittels QCM
bewertet, wobei aufgrund von elektrostatischen Kräften schnellere und stärkere
Interaktionen zwischen Haut und CMS-DEA beobachtet werden konnten. Zur
gleichen Zeit zeigten CMS-DEA bei ATR-FTIR-Messungen einen stärkeren
Fluidisierungseffekt auf interzellulären Lipiden als CMS-PCL. Schließlich
wurden sowohl Nilrot und FITC-BSA als Proben für die Penetration in die Haut
verwendet. CMS-DEA ermöglichte vergleichbare Freisetzungen von Nilrot wie CMS-
PCL, während beide Substanzen besser waren als die konventionelle Creme. CMS-
DEA zeigte jedoch bei der Freisetzung von FITC-BSA eine höhere Effizienz als
CMS-PCL oder die Kontrolle ohne Carrier. Beide Carrier verblieben in der SC-
Schicht ohne eine weitere Penetration in beschädigte SC-Schichten und zeigten
somit eine geringe Hautreizung. Die CMS-DEA Carrier zeigten eine gute
Bioverträglichkeit und eine geringfügige Zytotoxizität vergleichbar mit
anderen Nanocarriern beispielsweise PEI, welche auf die kationischen Gruppen
zurückzuführen ist. Die Bioverträglichkeit von CMS-DEA Nanocarriern kann
weiter verbessert werden durch die Änderung des Funktionalisierungsgrades der
DEA-Gruppen oder die Verwendung von tertiären Aminen mit einem pka Wert
kleiner als 7.4.
de
dc.format.extent
116 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
topical drug delivery
dc.subject
skin penetration
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie
dc.title
Degradable Core-Multishell Nanocarriers for the Delivery of Bioactive
Molecules
dc.contributor.contact
fang0615@zedat.fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Rainer Haag
dc.contributor.furtherReferee
PD. Dr. Kai Licha
dc.date.accepted
2017-12-18
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000106178-0
dc.title.translated
Abbaubare Kern-Multischalen-Nanotransporter für den Transport bioaktiver
Moleküle
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000106178
refubium.mycore.derivateId
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free
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open access