Funktionalisierung von LbL-Mikrocarriern als Drug Delivery System für Elastaseinhibitoren und HOCl-Scavenger bei chronischen Entzündungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Chronische Entzündungen und damit verbundene Erkrankungen stellen ein bedeutendes medizinisches Problem dar. Die Behandlung ist langwierig und durch systemisch wirkende Medikamente oft mit multiplen Nebenwirkungen verbunden. Durch die Entwicklung neuartiger Wirkstofftransport-Systeme können jedoch gezielte, lokal langanhaltende Applikationen vorhandener Wirkstoffe und hohe Effektivität mit reduzierten Nebenwirkungen verbunden werden. Layer-by-Layer-konstruierte Mikrocarrier eignen sich in dieser Hinsicht hervorragend für eine Applikation in lokal abgegrenzten Entzündungen, da sie durch ihre modulare Bauweise in der Lage sind, viele nützliche Eigenschaften eines Carriers zu vereinen. Diese Eigenschaften sind u.a. mit der Integration und zeitversetzten Freisetzung eines oder mehrerer Wirkstoffe, gezieltem Targeting von Zellen, Transport von definierten Dosen und hoher Biokompatibilität gegeben. In diesem Antrag wurde ein Carrier für den Transport anti-inflammatorischer Substanzen (AIS) in neutrophile Granulozyten (PMN) konstruiert, im Speziellen für die Inhibierung des proinflammatorischen und hochdegradativen Enzyms Elastase. Da Elastase sowohl permanent produziert als auch sezerniert wird, wurde der Carrier für eine parallele extra- und intrazelluläre Anwendung konzipiert. Der Basis-Carrier, bestehend aus einem CaCO3-Templat mit wechselseitiger Biopolymer- Beschichtung, zeigte dabei eine schnelle Aufnahme durch PMN innerhalb von (2-4) h. Während der Lebenszeit der PMN von 24 h findet zudem eine Degradation von bis zu 5 Schichten unter phagolysosomalen Bedingungen statt, was die Voraussetzung zur Integration von AIS in mehrere Schichten bzw. Schichttiefen ist. Dieser Einbau, im Falle von α1-Antitrypsin (AT) als Elastase-Antagonist, wurde schichtabhängig nachgewiesen. Wird der Carrier allein schon mit nur einer Oberflächenschicht AT ausgestattet, findet sowohl extrazellulär als auch intrazellulär eine Elastaseinhibition statt, was in zeit- und konzentrationsabhängigen Studien gezeigt wurde. Oberflächlich assembliertes AT verzögert sogar die natürliche Apoptose der PMN, was einen zeitlich erweiterten Anwendungshorizont erwarten lässt. Das System wurde durch die Entfernung des CaCO3-Templates auf Kapseln erweitert, die eine potentiell bessere Biokompatibilität aufweisen. Konstruktive Herausforderungen, wie die EDTA-Auswirkung (Entkernung) auf die Beschichtung und die Vermeidung von Aggregationen, wurden in diesem Kontext erfolgreich bewältigt. Auch der räumlich getrennte Einbau von weiteren Wirkstoffen ist ohne Interferenz möglich (AIS- Cocktail). Um die Wirksamkeit von AT zu erhöhen, wurde Cefoperazon hinzugefügt, wobei beliebige Einbauschemata möglich sind. Dieses Molekül hat die Eigenschaft, sowohl als HOCl-Scavenger die Wirkung von AT zu erhöhen als auch selbst Elastase zu inhibieren. An isolierten PMN konnte insbesondere bei geringen Zell-Carrierverhältnissen eine verbesserte Inhibierungswirkung nachgewiesen werden. Das Aufbringen einer Lipidschicht auf den Mikrocarrier bringt zusätzliche Vorteile hinsichtlich der Funktionalität, da sowohl die Reduktion unspezifischer Bindungen von Zellen und Proteinen als auch die Anbindung spezifischer Antikörper zum Zelltargeting möglich sind. Allerdings müssen die Parameter für eine Lipidbeschichtung auf geladenen Polymer-Multischichten sehr genau dem Templat, der Polymerauswahl und der funktionellen Komponente angepasst werden, um einen homogenen Bilayer zu erzeugen. Werden alle Kriterien erfüllt, reicht schon eine geringe Menge an abschließend gebundenem spezifischem Antikörper aus, um deutlich verbesserte Aufnahmeraten zu erreichen. Auch die Fusion der Lipidschicht mit speziellen Viruspartikeln führt über deren Fusionsproteine zu einer verbesserten Aufnahme der Partikel durch Zellen. Die vorgestellten Untersuchungen stellen damit eine sehr gute Ausgangsposition dar, um über Untersuchungen am Tiermodell langfristig eine Anwendung im Menschen anzustreben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Inhibition of Human Neutrophil Elastase by α1-Antitrypsin Functionalized Colloidal Microcarriers. ACS Nano (6): 6325–6336, 2012
U. Reibetanz, M. Schönberg, S. Rathmann, V. Strehlow, M. Göse, J. Leßig
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Development of LbL-biopolymer capsules as delivery system for the multilayer-assembled antiinflammatory substance a1-Antitrypsin. J. Mater. Chem. B (1): 3633-3643, 2013
V. Strehlow, J. Leßig, M. Göse, U. Reibetanz
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Design of a Homogeneous Multifunctional Supported Lipid Layer on LbL-Coated Microcarriers. Biomacromolecules (16): 757−768, 2015
M. Göse, P. Pescador, U. Reibetanz
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The Application of LbL-Microcarriers for the Treatment of Chronic Inflammation: Monitoring the Impact of LbL-Microcarriers on Cell Viability. Macromol. Biosci. (15): 546–557, 2015
M. Fichtner, C. Claus, J. Lessig-Owlanj, J. Arnhold, U. Reibetanz
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Specific Uptake of Lipid-Antibody-Functionalized LbL Microcarriers by Cells. Biomacromolecules (17): 3672-3682, 2016
M. Goese, K. Scheffler, U. Reibetanz
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Cellular interaction of a layer-by-layer based drug delivery system depending on material properties and cell types. Int. J. Nanomed. (13): 2079–2091, 2018
M. Brueckner, St. Jankuhn, E.-M. Jülke, U. Reibetanz
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Reversible Fusion Proteins as a Tool to Enhance Uptake of Virus-functionalized LbL Microcarriers. Biomacromolecules, 2018
K. Scheffler, C. Claus, M. L. Stanifer, St. Boulant, U. Reibetanz
