title: Photo-induced drug- and fluorescent dye delivery from hydrophilic polymers
title: Photoinduzierte Wirkstoff- und Farbstofffreisetzung aus hydrophilen Polymeren
Creators: name: Busch, Annegret Philippine
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Chemistry and allied sciences
Chemie
Hydrophile Polymere
Polymere, Wirkstofffreisetzung
Zwei-Photonen-Absorption
PCO
Polymeres , drug delivery
Grauer Star

description: Katarakt (Grauer Star) ist eine
      Erkrankung, die durch eine Dysfunktion des Metabolismus im
      Auge hervorgerufen wird und in Folge dessen zu einer Trübung
      der Linse führt [1, 2]. Über 20 Millionen Menschen haben
      durch diese Erkrankung ihre Sehkraft verloren [3, 4]. Die
      wesentlichste Behandlungsmethode umfasst die operative
      Entfernung der natürlichen Linse, die so genannte
      Extrakapsuläre Katarakt Extraktion (ECCE) und die
      darauffolgende Implantation einer polymeren Intraokularlinse
      (IOL) [5, 6]. Die am häufigsten vorkommende Komplikation, die
      in den ersten 3 bis 5 Jahren auftritt und bei 50 % der
      Patienten beobachtet wird, ist das erneute Eintrüben der IOL,
      welches als sekundärer Katarakt (Nachstar, oder Posterior
      Capsule Opacification, PCO) bezeichnet wird [7–10]. Die
      einzige Behandlungsmethode ist die invasive chirurgische
      Laserkapsulotomie, bei der der Kapselsack thermisch
      irreversibel zerstört wird [11]. Die Pathogenese der PCO ist
      darauf zurückzuführen, dass bei der ECCE Linsenepithelzellen
      im hinteren Kapselsack verbleiben und durch den Eingriff
      stark proliferierendes Narbengewebe zurückbleibt [12, 13],
      was zu einer Eintrübung der polymeren Linse führen kann.
      Diese Arbeit fokussiert sich auf die Entwicklung polymer
      basierter Drug-Delivery-Systeme, die auf Basis eines
      photoinduzierten Stimulus aktiviert werden und infolge dessen
      den Wirkstoff freisetzen. Der verwendete Wirkstoff, ist
      bereits durch entsprechende Anwendung zur Behandlung der PCO
      etabliert [14–18], wobei innovativ das Drug-Delivery- System
      5-Fluoruracil (5-FU) als zytotoxisch wirksames Agens enthält.
      Hierfür bildet 5-FU durch die [2+2]-Cycloadditionsreaktion
      nach Woodward-Hoffmann mit einen entsprechend Linker
      Kreuzdimere oder Homodimere, die an das Polymerrückgrat
      kovalent gebunden werden können. Dabei wird das Dimer durch
      photoinduzierte Bestrahlung über eine
      [2+2]-Cycloreversionsreaktion vom Linker gespalten und durch
      Diffusion aus der polymeren Matrix freigesetzt. Die
      [2+2]-Cycloreversionsreaktion kann entweder durch einen
      Ein-Photon- Absorptionsprozess (SPA) unterhalb von 300 nm,
      oder durch einen Zwei-Photonen- Prozess (TPA) oberhalb von
      300 nm induziert werden. In dieser Arbeit werden Lichtquellen
      verwendet, die bei 266 nm (SPA) und Licht im Bereich von 532
      nm (TPA) emittieren. In früheren Arbeiten wurde Coumarin als
      Linker-Molekül verwendet [13, 19]. Dieses besitzt
      hervorragende photochemische Eigenschaften, ist aber
      gegenüber Hydrolysereaktionen instabil, was wiederum die
      Reinigung der Kreuzdimere erschwert [20]. Aufgrund dessen
      wurden als alternative Linker-Strukturen Chalkon, H5FU
      (Heptanoyl- 5-Fluoruracil), BCA
      (4-methyl-2-oxo-2H-Benzo[h]chromen-8-yl acetat) verwendet.
      Sechs wesentliche Aspekte bezüglich der Drug-Delivery-Systeme
      werden in dieser Arbeit untersucht und vorgestellt: 1. Die
      Etablierung der Synthese der Kreuz- und Homodimere. 2.
      Charakterisierung der SPA- und TPA-induzierten
      Spaltungsreaktionen. 3. Etablierung eines polymeren Systems,
      welches mit einem Kreuz- oder Homodimer funktionalisiert wird
      und zusätzlich nach DIN ISO Norm mit einem UV-Absorber
      copolymerisiert wird. 4. Charakterisierung der
      Freisetzungskinetik des Wirkstoffs aus dem Polymer. 5.
      Untersuchung der Licht- und thermischen Stabilität der
      Polymere. 6. Validierung der Reproduzierbarkeit der
      photoinduzierten Wirkstofffreisetzung aus dem Polymer. Die
      Entwicklung von fluoreszierenden Arzneiformen wird schon seit
      Längerem erfolgreich angewendet, um es z.B. für bildgebende
      Methoden zu nutzen oder Freisetzungsprofile aus einem
      Drug-Release-System besser darzustellen, bzw. mögliche
      physiologische Diffusionsprozesse oder Erkrankungen besser
      untersuchen zu können [21, 22]. In dieser Arbeit wird ein
      fluoreszierendes Polymersystem vorgestellt, welches basierend
      auf der Vorschrift der Synthese des Chalkon-H5FU
      (CFKD)-Polymers erzeugt wurde [23]. Als Linker wurde Chalkon
      und BCA (8-acetoxy-4- methyl-2H-Benzo[h]chromen- 2-on) als
      fluoreszierender Farbstoff verwendet. Wie bei dem
      CFKD-Polymer wurde die Freisetzung des Fluoreszenzfarbstoffs
      durch Ein- Photon-Absorptions- oder
      Zwei-Photonen-Absorptions-Prozesse induziert. Um ein Profil
      von dem Diffusionsprozess zu erhalten, wurde die
      Wirkstoffdiffusion aus dem Polymer nach einer
      Laser-getriggerten Aktivierung in situ visuell festgehalten.
      Neben der [2+2]-Cycloaddition nach Woodward-Hoffmann
      entstehen bei der photochemisch induzierten Synthese mit dem
      Rayonet-Reaktor Oxetane zwischen 5-FU und dem
      Photosensibilisator Benzophenon durch eine
      [2+2]-Cycloaddition nach Paternò-Büchi. Diese wurden
      eingehend untersucht und die SPA-induzierte Spaltungsreaktion
      analysiert. Da 5-FU ein zytotoxisch wirkendes Agens ist [24],
      wurde ein Wirkstoff gewählt, der aufgrund seines
      Molekülgerüsts durch photoinduzierte [2+2]-Cycloaddition
      einen Cyclobutanring mit einem Linker ausbildet und zum
      anderen bereits bei der Behandlung der PCO erprobt wurde.
      Hierfür wurde Tranilast verwendet und erfolgreich ein
      Kreuzdimer mit dem Linker-Molekül Coumarin via
      Cycloadditionsreaktion erzeugt.
description: Cataract is an eye disease caused
      by a dysfunction of the metabolism in the eye, leading to an
      opacification of the natural lens [1, 2]. About 20 million
      people worldwide have lost their vision due to cataract [3,
      4]. The standard treatment is the extracapsular cataract
      extraction (ECCE), i.e. the implantation of a
      posterior-chamber intraocular lens (IOL) [5, 6]. The most
      frequent complication arising from this treatment is the
      posterior capsule opacification (PCO) that occurs in 15 % to
      50 % of all cases within three to five years of lens
      replacement [7–10]. The common treatment of PCO is laser
      capsulotomy [11], which leads to thermal destruction of the
      posterior capsular bag [25]. Typical complications are
      retinal detachment and macular oedema [26]. Several
      experimental studies using drugs such as colchicine,
      methotrexate, retinoic acid and 5-fluorouracil (5-FU) were
      used in animal models to treat PCO. The studies showed that
      5-FU is one of the most effective cytotoxic drugs [14–18,
      27–29]. The pathogenesis of PCO is attributed to the
      persistence and response of lens epithelial cells (LECs)
      [30]. A fibrotic type of PCO can be observed, accompanied by
      capsular bag contraction. This depends on the proliferation
      and fibrous metaplasia of interior and equatorial LECs [12,
      13, 30]. In this work, we present a photochemically
      controlled drug release system of 5-FU homodimers that are
      formed by a [2+2] Woodward-Hoffmann cycloaddition reaction.
      In other studies [19, 31], coumarin was used as a linker
      molecule to attach to a polymer backbone. Thermal and
      chemical instability of coumarine is the most challenging
      problem of this linker molecule [20]. Because of the
      instability against hydrolysis, the purification of the
      cross- and homodimers proved to be difficult; so the main
      object of this work was to choose a linker that was
      chemically stable and had excellent photochemical properties.
      The use of 5-FU as linker as well as a drug to be released
      solves both problems, allowing its application. The system
      presented in this study is based on controlled drug release
      upon activation. A photo-triggered drug delivery is based on
      a photo-cleavable linker system consisting of a linker
      molecule and the cytotoxic active drug of 5-fluorouracil
      (5-FU). This system may be activated by irradiation with
      wavelengths within a specific range. The photo-triggered drug
      release is accomplished by a single-photon-absorption (SPA)
      as well as by two-photon-absorption (TPA) triggered reaction.
      The drug linker system is cleaved by UV-light in the range
      below 300 nm, but this wavelength is not able to pass through
      the cornea. It is, therefore, necessary to deliver the
      required energy for activation via two photons at higher
      wavelengths by 532nm. With regard to the polymeric drug
      delivery systems, this study is focused on these aspects: 1.
      The establishment of the synthesis of the cross- and
      homodimers. 2. Characterization of the SPA and TPA induced
      cycloreversion. 3. The design of a polymeric system
      consisting of each homo- or crossdimer, and copolymerization
      with an UV-Absorber, in accordance with the DIN ISO Norm. 4.
      Characterization of the controlled drug release from the
      polymeric system. 5. Investigation into the light and thermal
      stability of these polymeric systems. 6. Reproducible
      light-induced drug release. The utilization of polymer for
      medical applications loaded with fluorescent nanoparticles or
      a fluorescent dye is a common method for the imaging of
      diffusion and delivery of a drug [21, 22]. The system
      presented here follows the principle of photo-controlled
      triggered release of a fluorescent dye after activation. This
      system is activated by irradiation with wavelengths within a
      specific range; the release may be triggered by a single
      (SPA) or two-photonabsorption process (TPA). Here, we
      demonstrate the synthesis and characterization of polymer
      containing a new crossdimer, which consists of
      4-tert-butyldimethylsilyloxychalcone (COTBS) as
      photo-cleavable linker and
      8-acetoxy-4-methyl-2H-Benzo[h]chromen-2-one (BCA) as a
      fluorescent dye. BCA was directly linked to the COTBS
      molecule via [2+2]-cycloaddition. This study describes the
      development of a release system comparable with future work
      [32, 33], containing a reversible crossdimer system. This
      showed high sensitivity to activation done to visualize the
      release and diffusion out of a polymer after irradiation by
      the single-photon and two-photon experiments. The release of
      the dye was characterized with the help of several spectra
      methods with regard to diffusion time and the ability to
      repeatedly activate this system, when required to show the
      ability of a multi-dose application. To demonstrate and
      visualize the activation of the system and the release of the
      dye, a fluorescence camera was simultaneously used. In
      addition to the [2+2]-cycloaddition according to the
      Woodward-Hoffmann rules, oxetanes are obtained, which are
      formed by the well-known Paternò-Büchi reaction, between 5-FU
      and the photosensitizer Benzophenone. The analytical
      experiments could verify this, and a photo-induced reaction
      by the SPA process could prove the cycloreversion of this
      system. Moreover, the application of another
      antiproliferative drug, Tranilast, was also investigated in
      this study because of the fact that 5-FU also acts as a
      cyctotoxic drug against healthy tissues. One of the benefits
      of Tranilast is the antiproliferative effect on highly
      proliferative fibroblasts or scar tissues [34]. Tranilast was
      successfully used to prevent PCO [35, 36] and demonstrated
      good results for the prevention with low negative side
      effects for the patient. Coumarine was used as a linker
      molecule. Analytical tests proved that crossdimers occurred,
      showing good photochemical properties created by the
      SPA-induced [2+2]-cycloreversion reaction.