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Titel: Photochemische Linkerstrukturen zur laserinduzierten Wirkstofffreisetzung aus polymeren Intraokularlinsen
Autor: Liese, Julia
Weitere Beteiligte: Hampp, Norbert (Prof.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0664
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-06642
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0664
DDC: Chemie
Titel(trans.): Photochemical linkers for laser-induced drug release from polymeric intraocular lens

Dokument

Schlagwörter:
Zwei-Photonen-Absorption, Wirkstofffreisetzung, Cataracta secundaria, Nichtlineare Absorp, Fluorouracil, Two-photon-absorption, Kontrollierte Wirkstofffreisetzung, Neodym-YAG-Laser, Grauer Star

Zusammenfassung:
Der Katarakt oder auch Grauer Star genannt, ist eine Erkankung des Auges, in deren Verlauf sich durch verschiedene Faktoren die ursprünglich klare Augenlinse trübt. Schätzungen gehen davon aus, dass etwa 18 Millionen Menschen ihr Sehvermögen durch Katarakt verloren haben und jährlich etwa 2 Millionen Erkrankungen hinzukommen. Das Hauptsymptom des Katarakts ist ein langsamer und schmerzloser Sehverlust. Die Sehschärfe nimmt ab, die Blendempfindlichkeit nimmt hingegen zu und die Umwelt wird zunehmend als verschwommen wahrgenommen. In fortgeschrittenem Stadium ist der Katarakt als graue oder bräunliche Verfärbung im Auge zu erkennen und der Patient erblindet. Obwohl die genauen Auslöser noch immer Gegenstand der Forschung sind und der Katarakt auch bei Kindern auftreten kann, gilt die Erkrankung mehrheitlich als alterungsbedingter Effekt. Die einzige Behandlungmöglichkeit stellt die operative Entfernung der natürliche Linse und ihr Ersatz durch eine künstliche polymere Intraokularlinse (IOL) dar. Eine in etwa 50 % der Fälle auftretende Komplikation dieser Methode ist der Nachstar (sekundärer Katarakt)[1, 2]. Dabei migrieren im Auge befindliche Ephitelzellen auf die IOL und den vorderen und hinteren Kapselsack, wodurch die Sicht wiederum stark beeinträchtigt wird. Neben der Möglichkeit den Nachstar durch eine Laserkapsulotomie, der nicht ungefährlichen thermischen Zerstörung der hinteren Wand des Kapselsacks, zu behandeln, wird derzeit ein neuer Ansatz auf der Basis von photoinduzierterWirkstofffreisetzung aus dem Linsenimplantat selbst untersucht. Dabei wird ein therapeutischerWirkstoff gegen die Ephitelzellen an der Polymerlinse über einen photochemischen Linker immobilisiert, der dann bei Bedarf durch eine gezielte photochemische Spaltung freigesetzt wird. Da die Linkerspaltung auf einer Cycloreversion eines Cyclobutanringes beruht, zu deren Spaltung über Ein-Photon- Absorption (SPA) Licht der Wellenlänge < 300 nm benötigt wird und die Hornhaut für dieseWellenlänge undurchlässig ist, muss die benötigte Energie über einen Zweiphotonenprozess (TPA) zugeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Wirkstofffreisetzung durch die zwei einzustrahlenden Photonen räumlich genau kontrollierbar ist. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die synthetische Entwicklung und Optimierung eines neuen Linkersystems zur Immobilisierung von 5FU, einem bereits im Auge erprobten Zytostatikum, sowie der Effektivität der photochemischen Spaltung der synthetisierten Linker-Wirkstoff-Konjugate und der Charakterisierung der Freisetzung des Wirkstoffes aus dem fertigen Polymermaterial. Es wurden neben dem bereits bekannten Coumarin sechs weitere Monomere als Linker synthetisiert und getestet. Coumarin stellt das bereits bekannte System für die Wirkstoffimmobilisierung dar, brachte jedoch diverse Probleme für die Anwendung mit sich. Der Lactonring ist im Dimer stark hydrolyseempfindlich, weshalb nicht sichergestellt werden kann, dass das Coumarin im Hydrogel in wässriger Umgebung stabil ist. Als alternative Linker wurden 1,1-Dimethylnaphtalenon, 1,2-Dihydronaphtalin, Stilben, Zimtsäure, 1,4- Naphtochinon und Chalkon evaluiert. Dabei zeigte sich, dass insbesondere 1,1-Dimethylnaphtalenon, aber auch Coumarin, Zimtsäure und 1,2-Dihydronaphtalin gegenüber erhöhten Temperaturen instabil waren. Thermische Stabilität ist jedoch für die Sterilisation durch Autoklavieren, der einzigen Sterilisationsmethode für hydrophile Polymere, unbedingt erforderlich. Nach denWoodward-Hoffmann-Regeln ist in diesem Falle die thermische [2+2]-Cycloreversion verboten. Daher wurde die Reaktion am 1,1-Dimethylnaphtalenon-H5FUDimer näher untersucht und der in diesem Fall nicht-konzertierte, sondern radikalische Mechanismus mittels Radikalfängerreaktionen und ESR aufgeklärt und erstmals bewiesen. Diese Entdeckung ist für die Anwendung als Linkersystem zur Immobilisierung von 5FU recht ungünstig. Aus diesem Grund wurden weitere Polymere mit den temperaturstabilen Linkern 1,4-Naphtochinon und Chalkon synthetisiert und analysiert. Diese Polymermaterialien zeigten sich im Autoklavierungstest stabil. Des weiteren wurde in dieser Arbeit eine generelle Vorschrift für die Synthese derartiger wirkstoffbeladener Polymere entwickelt, die mit jeweils auf die Monomere zugeschnittenen kleinen Modifikationen erfolgreich für Coumarin, 1,1-Dimethylnaphtalenon, 1,4-Naphtochinon und Chalkon durchgeführt wurde. Letztere drei Monomere wurden genauer auf ihre photochemischen Eigenschaften, die 5FU-Freisetzung aus dem Polymer und das Diffusionsverhalten aus dem Hydrogel untersucht. Die Freisetzung von 5FU konnte für alle drei Polymere erfolgreich nachgewiesen werden. Aufgrund der Anforderung der Autoklavierbarkeit der Polymermaterialien erwiesen sich 1,4-Naphtochinon und Chalkon als die geeigneten Linker für 5FU. Zusätzlich besitzen beide im Vergleich zu früher untersuchten Linkermolekülen einen hohen Zwei-Photonen-Querschnitt, was vorteilhaft für die Laserfreisetzung ist, da hier geringere Energien bzw. kürze Bestrahlungszeiten im Auge angewendet werden können.

Summary:
Cataract is a disease caused by a dysfunction of the metabolism in the eye which leads to an opacification of the natural ophthalmic lens. About 18 million people worldwide have already lost their vision by cataract and 2 millions new incidences are estimated per year. The course of the disease leads to a painless loss of sight, decreasing of the acuity and higher sensitivities towards glares. In the progression, a gray or brown discolouration of the lens develops and the patient may loose his vision completely. The reasons for the opacification vary and they are still under extensive research, but most cases of cataract are related to the aging process. The sole treatment of cataract is replacing the opacified natural lens with a polymer intraocular lens (IOL) via surgery. A typical complication of this treatment is secondary cataract or posterior capsule opacification (PCO), occuring in almost 50 % of all cases within 5 years. Retained ephitelical cells migrate onto the IOL and the anterior and posterior capsule bag and cause a progressive deterioration of the visual acuity. The state-of-the-art treatment for PCO is Nd:YAG laser capsulotomy where the posterior capsule bag is destroyed to improve the transparency of the field of vision. However, this treatment has several drawbacks. The high energy beams may damage the IOL, the intraocular pressure is increased, which leads to glaucoma, and the retina can be damaged. Therefore another approach to treat PCO is investigated at present, which targets the epithelial cells via a photo-induced drug delivery system in the IOL. A cytotoxic drug is covalently bound to the polymer backbone of the IOL, which may be released via photochemical excitation when required. The linker cleavage occurs via a cyclobutane moiety which needs excitation at wavelengths below 300 nm, which are absorbed by the cornea. Therefore the required energy must be applied via a two-photon-processes (TPA) at wavelengths of 512 nm. This process guarantees a high selectivity for the linker and excellent spatial control of the drug release. This thesis describes the synthetical development of a new drug-linker-conjugate for the immobilisation of 5-fluorouracile as cycotoxic drug and the effectivities of photochemical cleavage and drug releases from functionalized polymer materials. 5-Fluorouracile (5FU) has already been proven as a suitable drug for opthalmic applications. Coumarin and another six other potential linker molecules were examined for the application as linker for 5FU. Coumarin was the first molecule tested for this application, but showed several disadvantages. The lactone ring in the dimer is very vulnerable towards hydrolysis, which cannot be excluded in aqueous surroundings in the eye and leads to undesired reactions upon irradiation. Alternatively, several other molecules were examined, which were 1,1-dimethylnaphtalenone, 1,2-dihydronaphtalene, stilbene, cinnamic acid, 1,4-naphtoquinone and chalcone. In the course of the synthesis coumarin-, cinnamic acid-, 1,2-dihydronaphtalene- and especially 1,1-dimethylnaphtalenone-5FU dimers showed an unexpected [2+2]-cycloreversion reaction at higher temperatures. These temperatures are required for autoclaving the polymer material before insertion into the eye, the sole sterilisation method for hydrogels. According toWoodward-Hoffmann a thermal [2+2]-cycloreversion of the 5FU-linkerconjugate is not allowed under these conditions. This interesting finding was thoroughly investigated and the reaction successfully elucidated via radical scavenging reactions and ESR measurements. The reaction does not occur via a concerted mechanism, but via radicals, which may undergo several different following reaction pathways. Although these kind of reactions have already been noticed in the past, the radical mechanism was experimentally proven for the first time in this work. However, this thermal instability of the dimers is unfavourable for the application as a drug delivery device. Therefore, two molecules from the remaining three stable dimers were chosen for further examination. New polymers were synthesized with 1,4-naphtoquinone and chalcone as linkers for 5FU and proved the desired stability against higher temperatures and drug release via TPA processes. A general procedure for the synthesis of 5FU loaded polymers was developed in this thesis and successfully carried out with small modifications for coumarin, 1,1- dimethylnaphtalenone, 1,4-naphtoquinone and chalcone. The last three were further examined regarding photochemical properties, drug release and diffusion rates from the polymer material. Drug release was successfully carried out for all three of them, but only 1,4-naphtoquinone and chalcone have the desired thermal stability, which makes them suitable linkers for 5FU. Both have efficient TPA-cross sections which is advantageous for the application due to the possibility of using lower energies and/or shorter irradiation times in the eye.


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