title: Tailor-made nanocrystals for the treatment of oxidative stress-related diseases
Creators: name: Stahr, Pascal L.
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2021
Subjects: Life sciences
Biowissenschaften, Biologie

description: In der vorliegenden Arbeit wurden Nanokristalle (NC) von drei schwer wasserlöslichen Antioxidantien, BI-6C9, Hesperetin und Rutin, hergestellt, charakterisiert und in geeigneten Zellkultur-modellen getestet. Darüber hinaus wurde die Herstellung so optimiert, dass für die Behandlung von aus oxidativem Stress bedingten Erkrankungen maßgeschneiderte NC gewonnen wurden. Diese sollten so formuliert werden, dass die Löslichkeit und die damit verbundene Bioverfügbarkeit der verwendeten Antioxidantien erhöht und sie gleichzeitig den Anforderungen verschiedener Applikationswege gerecht wurden in Hinblick auf Partikelgröße, physikalische Stabilität und Endformulierung. Die synthetisierte Verbindung, BI-6C9, sollte ressourcensparend in eine Formulierung überführt werden, die sich zur i.v.-Anwendung eignet. Dies wurde erfolgreich mittels Perlenmahlens (BM) in einem kleinen Maßstab von 2 mL zu NC realisiert. Mit Hilfe eines mikroskopischen Vor-screenings mit vier Stabilisatoren (SDS, Tween 80, PLC, Span 20) konnte zeit- und ressourcen-sparend SDS als geeignetster Stabilisator ermittelt werden. So wurde bereits nach einer Mahldauer von 24 h BI-6C9 erfolgreich zu NC mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 600 nm überführt. Für die intrakortikale oder intrazerebrale Anwendung ist jedoch nur Tween 80 als Stabilisator zugelassen. Durch Optimierung der Mahldauer auf 90 h konnte eine Tween 80-stabilisierte Nanosuspension produziert werden, die hinsichtlich der Partikelgröße und der Stabilität über einem Zeitraum von sieben Tagen der SDS-Formulierung vergleichbar war. Auch zeigten beide Nanosuspensionen in einem Zellkultur-model für durch oxidativen Stress ausgelösten neuronalen Zelltod die gleiche protektive Dosis-Wirkungs-Kurve wie eine BI-6C9-Lösung in DMSO. Das heißt, dass die beiden NC Formulierungen ihre maximale pharmakologische Wirksamkeit erreicht haben, denn besser wirksam als ihre Lösung kann eine Formulierung nicht werden. Hinzu kommt der Vorteil, dass sowohl für die Zellkulturstudien und vor allem bei einer möglichen in-vivo Anwendung keinerlei schädliche Lösungsmittel zum Einsatz kommen. Mittels optimierter Herstellung und Stabilisierung durch Tween 80 oder SDS wurde eine maßgeschneiderte i.v. bzw. oral applizierbare NC-Formulierung zur Behandlung von neuronalem oxidativem Stress erfolgreich entwickelt.
description: In the present work, the NC of three poorly water-soluble antioxidants, BI-6C9, hesperetin and rutin, were prepared, characterized, and tested in suitable cell culture models. In addition, the production was optimized to obtain tailor-made NC for the treatment of oxidative stress-related diseases. These should be formulated to increase the solubility and thus bioavailability of the antioxidants used, while meeting the requirements of different administration routes regarding particle size, physical stability, and the final formulation. The synthesized compound, BI-6C9, was aimed to be converted into a formulation suitable for i.v. application in a resource-saving manner. This was successfully realized by using a small scale BM process in a batch size of 2 mL. A time and resource-saving pre-screening of four stabilizers (SDS, PLC, Tween 80, Span 20) was performed by microscopy, where SDS was identified to be the most suitable stabilizer. Then, BI-6C9 was successfully converted to NC with an average particle size of about 600 nm applying a milling time of 24 h. However, only the stabilizer Tween 80 is approved as save for intracortical or intracerebral application. By optimizing the milling time to 90 h, a Tween 80-stabilized nanosuspension was successfully produced and comparable to the SDS formulation regarding particle size and stability over seven days of storage. Also, in a cell culture model of oxidative stress-induced neuronal cell death, both nanosuspensions showed the same protective dose-response curve as a BI-6C9 solution in DMSO. This means that both NC formulations have reached their highest pharmacological efficacy because a formulation cannot become more effective than its solution. In addition, as an advantage, no harmful solvents were used for the cell culture studies and, especially, for a possible in-vivo application. By optimizing the preparation and stabilization with Tween 80 and SDS, tailor-made i.v. or orally applicable NC formulations were successfully developed for the treatment of neuronal oxidative stress.