title: Neue Arzneimittelträger für die Lungenapplikation mit Hilfe eines template-unterstützten Verfahrens
title: Novel Drug Carriers for Pulmonary Administration Utilising a Template-Assisted Approach
Creators: name: Tscheka, Clemens
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Zylinder
Prolonged release
Sciences
Naturwissenschaften
Verzögerte Wirkstofffreisetzung
Fibres
Faser
Phagozytose
Lunge , Wirkstofffreisetzung
Lung administration, Phagocytosis
Nicht-sphärische Partikel
Non-spherical particles

description: The template technique was selected
      for the generation of monodisperse fibres, intended for
      pulmonary administration. The deposition site in the
      inhalation tract is strongly governed by the geometry (size
      and shape) of the particle, whereas the precision of
      targeting is linked to their homogeneity. Since conventional
      carrier systems are not formed within precisely defined
      templates, such as the track-etched membranes with
      cylindrical pores used herein, the geometry is less defined.
      Despite their largely irregular shape, conventional carriers
      are described as spherical. Two major benefits of fibrous
      shape have been identified for pulmonary administration,
      promising advantages over conventional drug carriers.
      Firstly, the residence time of the therapeutic in the target
      region, the deep lung, is extended because of the shape and
      orientation dependent delay of cellular uptake. Secondly, the
      load of peripheral delivery is increased through fibrous
      shape; more material is transported per filament in
      comparison a spherical particle with identical diameter due
      to alignment in the airstream. Experiments confirm that the
      engulfment exclusively occurred from the tips of the
      cylindrical particles, delaying the uptake until this
      orientation was reached by the phagocyte. The aerodynamic
      properties of the cylindrical particles depend on the
      diameter of the filaments and not on the length, which was
      constant for all tested filaments. Cylinders with lower
      diameter proceed to deeper stages in the impactor, implying
      alignment with the airstream. The physiological conditions in
      the peripheral lung with scarce lining fluid, acting as the
      solvent, and low enzymatic activity of the fragile tissue
      largely restrict the selection of compounds for the design of
      pulmonary carriers. Only a few substances have been approved
      for this route of administration. Filamentous particles were
      formed from the FDA-approved excipient lactose, APIs and
      blends of various ratios. These cylinders dissolved
      instantaneously upon contact with aqueous media. In contrast,
      longer residence time is desired for prolonged release
      systems. This can be achieved by the incorporation of
      hydrogels into the matrix of the cylindrical particles. The
      biocompatible hydrogel alginate, degrading as a function of
      the phosphate concentration, was utilized in order to form
      the backbone of the carrier system. This mode of degradation
      reduces the likelihood of detrimental long-term accumulation
      in the peripheral lung because phosphate is ubiquitous in the
      body. The template technique allows for the embedding of NPs
      into the cylinders, too. These hierarchical microfibres were
      formed from silica NPs and were interconnected with
      biocompatible hydrogels (alginate and agarose). As a proof of
      concept, macrophage uptake experiments were performed in
      order to verify the paradigm of shape and orientation
      dependent uptake; this could be confirmed for fibres formed
      with the template technique. Uptake was quantified using the
      novel correlative light and electron microscopy (CLEM).
      Through the combination of high resolution of EM and
      specificity of fluorescence, misleading quantification based
      upon the single techniques SEM and FLM could be corrected.
      Additionally, the adaptation of the preparation protocol
      allows for a straightforward generation of hydrogel surfaces
      carrying fibres in high abundance and fidelity in various
      diameters and compositions. Literature reports about
      implications of surface structure on fundamental cell
      behaviour and functions. Consequently, the adhesion of murine
      alveolar fibroblasts was scrutinized on hairy alginate sheets
      with various dimensions and quantities of the filaments. The
      more abundant and more delicate the filaments were, the more
      adhesion was observed; in addition to a preferential
      alignment along the filaments. Without these fibres
      fibroblasts did not adhere to the alginate hydrogel surface.
      Furthermore, the hairy sheets could be loaded with small
      molecules, as well as macromolecules; a fact that might proof
      beneficial for potential applications as a surrogate for the
      ECM, loading growth factors for instance. The release of
      these model compounds was quantified. It was depending on the
      molecular size and the phosphate concentration.
description: 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.