Novel Drug Carriers for Pulmonary Administration Utilising a Template-Assisted Approach

Die sogenannte template technique (Templattechnik) wurde gewählt, um monodisperse Fasern zu erzeugen, die als Hilfsstoffsystem für die Lungenanwendung geeignet sind. Die Region der Abscheidung in der Lunge hängt in hohem Maße von der Geometrie der Partikel (Größe und Form) ab, wobei die Präzision des Targetings von deren Homogenität vorgegeben wird. Konventionelle Trägerstoffe für die Lungenanwendung werden nicht mit Hilfe von präzise definierten Templaten, wie die hier verwendeten track-etched membranes (Kernspurfilter) mit zylinderförmigen Poren, erzeugt, wodurch deren Geometrie weniger genau vorgegeben ist. Trotz deren größtenteils unregelmäßigen Form werden konventionelle Trägerstoffe als kugelförmig bezeichnet. Die faserförmigen Träger lassen in zwei wesentlichen Punkten auf Verbesserungen im Gegensatz zu konventionellen Trägern hoffen. Die Verweilzeit in der tiefen Lunge, der Zielregion für viele Inhalanda, kann durch die form- und orientierungsabhängige Aufnahme verlängert werden. Des Weiteren kann der Transport in die distalen Bereiche der Lunge durch die Faserform gesteigert werden. Bezogen auf ein faserförmiges Partikel wird im Vergleich zu kugelförmigen Partikeln gleichen Durchmessers mehr Substanz transportiert, weil sich die Fasern im Luftstrom ausrichten. Die Experimente bestätigen, dass die Aufnahme der Zylinder lediglich von den Enden her erfolgt. Dies führt zu einer Verzögerung der Aufnahme, da die Phagozyten zunächst die korrekte Orientierung einnehmen müssen. Das aerodynamische Verhalten der zylinderförmigen Partikel hängt vom Durchmesser und nicht von deren Länge ab, welche konstant bei allen getesteten zylinderförmigen Partikeln war. Zylinder mit geringerem Durchmesser zeigen eine Verschiebung der Abscheidung hin zu geringeren aerodynamischen Durchmessern, was auf eine Ausrichtung der Fasern im Luftstrom schließen lässt. Die physiologischen Gegebenheiten in der Region der Alveolen erschweren die Auswahl der Substanzen für das Design von Inhalanda-Trägersystemen. Es ist nur wenig Flüssigkeit vorhanden, die als Lösungsmittel dienen kann. Außerdem ist das empfindliche Gewebe enzymatisch nur in geringem Umfang aktiv. Aus diesen Gründen sind nur wenige Substanzen für die Lungenanwendung zugelassen. Faserförmige Partikel wurden aus Laktose, welche von der FDA für diese Anwendung zugelassen wurde, sowie Wirkstoffen und verschiedenen Mischungen hergestellt. Diese Zylinder lösten sich sofort nach Kontakt mit dem wässrigen Medium auf. Bei einem Trägersystem mit verlängerter Wirkstofffreigabe ist hingegen eine längere Verweilzeit erwünscht. Dies kann durch die Verwendung von Hydrogelen bei der Erzeugung der Zylinder erreicht werden; diese durchwirken die Zylinder und verändern so das Auflöseverhalten. Das biokompatible Alginatgel löst sich in Abhängigkeit der Phosphatkonzentration auf, wodurch die Gefahr einer schädlichen Anhäufung in der Lunge vermindert werden kann, weil Phosphat überall im Körper vorkommt. Darüber hinaus können die Zylinder auch aus Nanopartikeln hergestellt werden. Die Fasern wurden aus SiO2-Partikeln geformt und mit biokompatiblen Hydrogelen (Alginat und Agarose) verknüpft. Als proof of concept wurden Aufnahmeexperimente mit Makrophagen durchgeführt, um zu überprüfen, ob auch bei den mit der Templattechnik erzeugten Fasern die Aufnahme form- und orientierungsabhängig verläuft. Dies konnte erfolgreich gezeigt werden. Zur Quantifizierung der Zellaufnahme wurde eine Kombination aus Licht- und Elektronenmikroskopie (correlative light and electron microscopy (CLEM)) verwendet. Durch Kombination der hohen Auflösung der Elektronenmikroskopie und der Spezifizität von Fluoreszenztechniken konnten die fehlerbehafteten Ergebnisse der Einzeltechniken (SEM und Fluoreszenzlichtmikroskopie) korrigiert werden. Darüber hinaus kann mit der Templattechnik auf einfache Art und Weise Oberflächen aus Hydrogelen erzeugt werden, die eine Vielzahl von Fasern hoher Homogenität tragen. Die Durchmesser der Fasern, sowie die Zusammensetzung können angepasst werden. Die Oberflächenbeschaffenheit hat laut Literatur einen entscheidenden Einfluss auf grundlegendes Verhalten und Funktionen von Zellen. Deshalb wurde das Adhäsionsverhalten von alveolaren Mausfibroblasten sowohl in Abhängigkeit vom Faserdurchmesser als auch von deren Häufigkeit untersucht. Je feiner und häufiger die Fasern vorkommen, desto mehr Adhäsion konnte beobachtet werden; zusätzlich zeigten die Fibroblasten eine bevorzugte Ausrichtung entlang der Fasern. Ohne Fasern auf der Oberfläche findet keine Adhäsion statt. Die fasertragenden Oberflächen können zusätzlich mit Wirkstoffen beladen werden, sowohl niedermolekulare Verbindungen als auch Makromoleküle können verwendet werden. Diese Tatsache könnte sich bei der möglichen Anwendung der Oberflächen als Ersatz für die Extrazelluläre Matrix als vorteilhaft erweisen, etwa die Beladung mit Wachstumsfaktoren. Die Freisetzung der Modelsubstanzen wurde quantifiziert und hing sowohl vom Molekulargewicht als auch von der Phosphatkonzentration des Mediums ab.