Ein effizienteres Herstellungsverfahren für Liposomen aus Wasser-in-Fluorocarbon Nanoemulsionen
Creators: name: Ullmann, Kirsten
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Tensiometrie
Du Noüy-Ring
Spinning Drop Tensiometer
Nanoemulsionen
Liposomen
Fluorocarbone
Zentrifugation
Phospholipide
Einkapselungseffizienz
DLS
SAXS

description: Die Verabreichung von Wirkstoffen ohne einen vorzeitigen Abbau im Körper stellt in manchen pharmazeutischen Anwendungen eine Herausforderung dar. Untersuchungen von verschiedenen Transportsystemen wie Liposomen nehmen sich dieser Problematik an. Liposomen sind kugelförmige Vesikel, die aus einer Phospholipiddoppelschicht bestehen und Bestandteil von natürlichen Membranen sind. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und der Analyse eines neuen Herstellungsprozesses von Liposomen aus Wasser-in-Fluorocarbon Nanoemulsionen für die pharmazeutische Anwendung. Der neue Prozess kommt ohne die Verwendung von organischen Lösungsmitteln aus, sodass eine aufwendige Entfernung entfällt. Im Fokus der Arbeit liegen drei Schwerpunkte, die den wesentlichen Bestandteil des Prozesses ausmachen: Die Auswahl des passenden Stoffsystems, deren Charakterisierung mit geeigneten Analysemethoden und die Herstellung sowie Einkapselungseffizienz von Liposomen. Der erste Schwerpunkt liegt in der tensiometrischen Wechselwirkung zwischen der wässrigen und hydrophoben Phase. Als hydrophobe Phase kommt das Perfluorocarbon Perfluoroperhyd-rophenanthren zum Einsatz, welches aufgrund seiner inerten Eigenschaften für die pharmazeutische Anwendung zunehmend an Bedeutung gewinnt. An der Grenzfläche zwischen dem Perfluorocarbon und der wässrigen Phase lagern sich diffusionskontrolliert verschiedene Phospholipide an, die im Transferprozess als Baustein für die Doppelschicht der Liposomen dienen. Herausfordernd ist die Bestimmung der Grenzflächenspannung zwischen beiden Phasen, da hohe Dichteunterschiede und fast identische Brechungsindizes den Einsatz von visuellen Methoden wie der Tropfenprofilanalyse unmöglich machen. Gegensätzlich der zeitintensiven, nicht-invasiven Spinning Drop Tensiometrie liefert die invasive Du Noüy-Ring Methode effizienter reproduzierbare Ergebnisse. Die Analyse der Grenzflächen zwischen verschiedenen Phospholipid-Suspensionen und der hydrophoben Phase zeigt, dass die Dauer zum Erreichen der Gleichgewichts-Grenzflächenspannung mit zunehmender Länge der Fettsäurekette zunimmt. Dies zeigt sich insbesondere bei der minimal erreichbaren Grenzflächenspannung. Auch der Temperaturbe-reich beeinflusst den Adsorptionsprozess, da sich oberhalb der Übergangstemperatur der jeweiligen Phospholipide der Anlagerungsprozess an die Grenzfläche beschleunigt und Unterschiede zwischen den Fettsäureketten nicht mehr auszumachen sind. Im zweiten Abschnitt erfolgt die Herstellung der Nanoemulsionen über die Ultraschallemulgierung mit anschließender Tropfengrößenanalyse. Ähnliche Brechungsindizes zwischen hydrophober und hydrophiler Phase erschweren die Messung der Nanoemulsionströpfchen mittels dynamischer Lichtstreuung. Aufgrund des Eintrags von Gasblasen in das System ist der anzahlgewichtete Durchmesser als Vergleichswert direkt nach der Herstellung zu bevorzugen. Langzeitanalysen zeigen, dass unabhängig vom verwendeten Phospholipid eine Langzeitstabi-lität von mehreren Wochen bei einer Größe von &lt; 200 nm zu erreichen ist. Die Ergebnisse mit Perfluoroperhydrophenanthren und der Vergleich mit anderen Fluorocarbonen zeigen, dass die Eigenschaften des Stabilisators weniger ins Gewicht fallen als die Eigenschaften des Fluorocarbons selbst. Eine geringere Dichte der hydrophoben Phase führt zu größeren Tropfen und einer höheren Polydispersität der Nanoemulsionen. Da die Tropfengröße der Nanoemulsionen im Zielbereich liegt, ist der Transfer zur Liposo-men-Herstellung als zweiter Verfahrensschritt möglich. Durch den Transfer entstehen Liposomen mit einer mittleren Größe von etwa 60 nm, welche sowohl mit der dynamischen Lichtstreuung als auch der Röntgenkleinwinkelstreuung gemessen sind. Fluoreszein-Natrium, Rinderserumalbumin und Fluoreszenz-markiertes Dextran kamen als Modellwirkstoffe zum Einsatz. Als Nachweismethode für deren Einkapselungseffizienzen dient die UV-Vis Spektroskopie. Unter Verwendung von Reinstwasser als hydrophile Phase und Fluoreszein-Natrium als niedrigmolekularem Wirkstoff ist eine Einkapselungseffizienz von bis zu 99% zu erreichen. Die hochmolekularen Modellwirkstoffe Rinderserumalbumin und Dextran erreichen eine Effizienz von bis zu 89% bzw. 98%. Der Zusatz von Salzen in der wässrigen Phase verschlechtert die Einkapselungseffizienz. Ebenso führen unterschiedliche osmotische Bedingungen innerhalb und außerhalb des Liposoms zu einem höheren Verlust der Markersubstanzen. Analog zur Herstellung von Nanoemulsionen zeigt sich, dass auch bei der Einkapselung Fluorocarbone mit einer geringeren Dichte weniger effizient Wirkstoffe einschließen. Die höchsten Einkapselungseffizienzen lassen sich mit einer Phospholipidkon-zentration zwischen 150 mM und 300 mM erzielen, während die Zugabe von Cholesterin als natürlicher Membranbestandteil eine Verschlechterung hinsichtlich der Einkapselungseffizienz bewirkt. Mit Perfluoroperhydrophenanthren als hydrophobem Phasenanteil gelingt die Herstellung stabiler Wasser-in-Fluorocarbon Nanoemulsionen. Der verfahrenstechnische Zentrifugationsprozess erlaubt die Produktion von Liposomen mit hohem Einkapselungsvermögen für verschiedene Wirkstoffe.