Advanced Colloidal Systems for Targeted Chemotherapy

The current project gave a detailed insight of surface modification of different advance colloidal systems along with their in vitro and in vivo targeting capabilities. Three different colloidal systems (nanoparticles, microparticles and liposomes) were evaluated for their efficacies and consistencies in results. The introduction contains an overview for the passive and active targeting of chemotherapeutic agents with different colloidal systems. Different methods of preparation and characterization of these colloidal systems were reviewed. This formed the root level for the use of these formulations in the current project. Furthermore, a brief introduction about aptamers and different examples of targeting molecules was also given to elaborate on aptamers’ specific nature. This provided the basis of surface modification of colloidal formulations with aptamer of interest. Sorafenib tosylate (SFB) was selected as a chemotherapeutic agent because it has low solubility and low bioavailability. Its LogP value is 4.54 with biopharmaceutical classification systems class IV. Systemic toxicity due to non-specific drug delivery is also issues with the use of SFB. Another problem associated with the use of this chemotherapeutic agent is the development of drug resistance after consecutive administrations. Therefore, the current study was designed to improve the efficiency of cancer therapy using sorafenib-loaded colloidal systems coupled with anti-ErbB3-aptamer (Apt). There first part of result and discussion included characterization of SFB-loaded PLGA matrix systems i.e. nanoparticles and microparticles. The encapsulation efficiencies revealed the loading of the drug inside these carrier systems. The physicochemical investigation by Fourier transform infrared spectroscopy, elemental analysis and fluorescence analysis elaborated the success of surface modification of these systems with Apt. Furthermore, morphological analysis by atomic force and scanning electron microscopy supported these results and showed an optimal surface roughness profile for cell surface interactions. Cell culture studies showed a positive impact of the combination of SFB and Apt. The presence of SFB and Apt together showed maximum cytotoxicities compared to other formulations. Dose-dependent toxicities were demonstrated using the cell viability assay. Moreover, time-dependent formulation delivery, to the cytoplasm and subsequently to the nuclear membrane, was observed by CLSM visualization. Higher reactive oxygen species production was observed in the presence of both SFB and Apt as compared to blank formulations. However, the aptamer alone did not significantly induce ROS production. Upon treatment of the cells with different concentration of particles, a significant dose-dependent ROS production was noticed. The metastatic inhibition by the particles, especially those with SFB and Apt was evident from the scratch test. The absence of both SFB and Apt resulted in complete healing of wound within 24 h. Ex vivo hemolysis studies demonstrated the hemocompatibility of the PLGA matrices, thus mimicking in vivo safety of these formulations. The presence of SFB as well Apt did not change the hemolytic potential of formulations to much extent. All the formulations were more hemocampatible as compared to pure drug. Moreover, RBC aggregation test showed no profound change in the morphology of RBCs. In vivo assessment by the blood profiles along with serum biochemistry stamped the safety of the formulation. Nevertheless, heart and liver-specific toxicities were evident in the presence of SFB and Apt but the overall body visceral index was normal. Results and discussion also included characterization of SFB-loaded liposomes. The physicochemical investigation of the liposomes using dynamic light scattering and laser Doppler velocimetry revealed nearly monomodel size range from 121 nm to 155 nm suitable for cellular internalization. However, the presence of SFB and Apt influenced the hydrodynamic diameters and zeta potentials of formulations. Furthermore, morphological characteristics were described by atomic force microscopy and showed optimal sizes and surface roughness profile for cell surface interactions. Synergistic dose-dependent cytotoxicities were demonstrated using SFB and Apt in liposomes in 2D cell culture techniques. The evaluation of toxicity was also visualized in 3D cell cultures and revealed a decrease in 3D culture sizes. This effect was also evident in apoptosis assay showing nuclear condensation as a possible mechanism of cell death. The presence of surface-modified liposomes, inside cells was visualized using CLSM. These investigations showed the presence of liposomes inside the cell, especially near the nuclear region (co-localization coefficient; 0.4-0.7). In order to analyze the in vivo safety as well as the transfection potential of surface modified liposomes the chorioallantoic membrane model (CAM) was used. The presence of these formulations in the mesoderm of the CAM was visualized by CLSM. No evidence of clear toxicity was observed on the development of the embryo. Furthermore, the hemocompatibility studies of liposomes also demonstrated the safety of these formulations when compared to pure drug. Therefore, the combination of chemotherapeutic agent and aptamer together with colloidal drug delivery systems will pave the way to a powerful tool in anticancer therapies. Moreover, the presence of aptamer will also solve the problems of side effects of chemotherapeutic agents by specifically delivering the drug to resistant tumors.Die aktuelle Projektarbeit gibt einen detaillierten Einblick in die Oberflächenmodifikation verschiedener fortgeschrittener kolloidaler Systeme sowie in deren In-vitro- und In-vivo-Targeting-Fähigkeiten. Drei verschiedene kolloidale Systeme (Nanopartikel, Mikropartikel und Liposomen) wurden auf ihre Wirksamkeit und Konsistenz der Ergebnisse untersucht. In der Einleitung wird ein Überblick zum passiven und aktiven Targeting von Chemotherapeutika mit unterschiedlichen Kolloidsystemen gegeben. Verschiedene Methoden zur Herstellung und Charakterisierung dieser kolloidalen Systeme werden besprochen. Dies bildete denAusgangspunkt für die Verwendung dieser Formulierungen im Promotionsprojekt. Darüber hinaus wurde eine kurze Einführung über Aptamere und verschiedene Beispiele für Targeting-Moleküle gegeben, um die selektiven Bindungseigenschaften der Aptamere zu erläutern. Dies lieferte die Grundlage für die Oberflächenmodifizierung kolloidaler Formulierungen mit dem interessierenden Aptamer. Sorafenib-Tosylat (SFB) wurde als Chemotherapeutikum ausgewählt. Der Grund hierfür war die niedrige Löslichkeit und Bioverfügbarkeit mit einem LogP Wert von 4,54 und der Biopharmazeutischen Klassifikation von IV. Des Weiteren zeigt SFB aufgrund nicht-spezifischer Wechselwirkungen eine systemische Toxizität. Ein weiteres Problem, das bei Verwendung dieses Chemotherapeutikums entsteht, ist die Entwicklung einer Wirkstoffresistenznach mehrmaliger Applikation. Daher sollte die aktuelle Studie die Wirksamkeit der Krebstherapie unter Verwendung von mit SFB-beladenen kolloidalen Systemen in Kombination mit Anti-ErbB3-Aptamer (Apt) verbessern. Der erste Teil des Ergebnisses und der Diskussion umfasste die Charakterisierung von SFB-beladenen PLGA-Matrixsystemen, d. h. Nanopartikeln und Mikropartikeln. Die Daten zu Einkapselungseffizienzen zeigten eine erfolgreiche Beladung der Trägersysteme mit SFB. Die physikalisch-chemische Untersuchung mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, Elementaranalyse und Fluoreszenzanalyse bestätigte die Oberflächenmodifikation dieser Systeme mit Apt. Darüber hinaus stützten morphologische Analysen mittels Atomkraft- und Rasterelektronenmikroskopie diese Ergebnisse und zeigten ein optimales Oberflächenrauheitsprofil für Zelloberflächenwechselwirkungen. Zellkulturstudien verdeutlichten einen positiven Einfluss der Kombination von SFB und Apt. Das Vorhandensein von SFB und Apt zusammen zeigte maximale Zytotoxizitäten im Vergleich zu anderen Formulierungen. Dosisabhängige Toxizitäten wurden unter Verwendung des Zelllebensfähigkeitstests nachgewiesen. Darüber hinaus ist die zeitabhängige Abgabe der Formulierung an das Zytoplasma und anschließend an die Kernmembran mit Hilfe der CLSM-Visualisierung beobachtet worden. In Gegenwart von SFB und Apt konnte im Vergleich zu Kontrollpräparaten eine höhere Produktion reaktiver Sauerstoffspezies beobachtet werden. Das Aptamer allein induzierte jedoch keine signifikante ROS-Produktion. Bei Behandlung der Zellen mit unterschiedlicher Partikelkonzentration wurde eine signifikante dosisabhängige ROS-Produktion festgestellt. Die metastatische Hemmung durch die Partikel, insbesondere die mit SFB und Apt, wurde aus dem Kratztest ersichtlich. Das Fehlen von SFB und Apt führte zu einer vollständigen Wundheilung innerhalb von 24 Std. Ex-vivo-Hämolysestudien zeigten die Hämokompatibilität der PLGA-Matrices und verdeutlichten die In-vivo-Sicherheit dieser Formulierungen. Das Vorhandensein von SFB sowie Apt änderte das hämolytische Potential der Formulierungen nicht wesentlich. Alle Formulierungen weisen eine höhere Hämokompatibiltät im Vergleich zu SFB auf. Der RBC-Aggregationstest wies keinemorphologische Veränderung von RBCs auf. Die In-vivo-Auswertung der Blutprofile sowie die Serumbiochemie bestätigten die Sicherheit der Formulierung. Trotzdem kam es in Gegenwart von SFB und Apt zu herz- und leberspezifischen Toxizitäten, jedoch war der viszerale Index des gesamten Körpers normal. Ergebnisse und Diskussion umfassten die Charakterisierung von SFB-beladenen Liposomen. Die physikalisch-chemische Untersuchung der Liposomen mittels dynamischer Lichtstreuung und Laser-Doppler-Velocimetrie ergab eine nahezu monomodalen Größenverteilung von 121 nm bis 155 nm, der für die Internalisierung von Zellen geeignet ist. Das Vorhandensein von SFB und Apt beeinflusste jedoch die hydrodynamischen Durchmesser und Zeta-Potentiale der Formulierungen. Darüber hinaus wurden morphologische Eigenschaften durch Rasterkraftmikroskopie untersucht und zeigten optimale Größen und Oberflächenrauheitsprofile für Zelloberflächenwechselwirkungen. Synergistische dosisabhängige Zytotoxizitäten wurden unter Verwendung von SFB und Apt in Liposomen in 2D-Zellkulturtechniken gezeigt. Die Bewertung der Toxizität wurde auch in 3D-Zellkulturen durchgeführt und resultierte in einer Flächenverkleinerung der 3D Kulturen. Dieser Effekt wurde auch im Apoptose-Assay deutlich, der die Kernkondensation als möglichen Mechanismus für den Zelltod zeigte. Das Vorhandensein von oberflächenmodifizierten Liposomen in Zellen ist unter Verwendung von CLSM sichtbar gemacht worden. Diese Untersuchungen zeigten das Vorhandensein von Liposomen in der Zelle, insbesondere in der Nähe der Kernregion (Co-Lokalisierungskoeffizient; 0,4-0,7). Zur Bestimmung der In-vivo-Sicherheit sowie des Transfektionspotentials von oberflächenmodifizierten Liposomen wurde das Chorioallantoismembranmodell (CAM) herangezogen. CLSM Studien zeigten das Vorhandensein der Formulierungen im Mesoderm des CAM und esgab keine Hinweise auf eine Toxizität während der Embryonalentwicklung. Studien bezüglich der Hämokompatibilität der Formulierungen bestätigten die Sicherheit im Vergleich zuSFB. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine kolloidale Formulierung bestehend aus einer Kombination von Chemotherapeutikum und Aptamerein leistungsstarkes Medikament in der Krebstherapie darstellt. Durch die Anwesenheit von Aptamer wird ebenso das Nebenwirkungspotential erheblich reduziert, da sich die Formulierungen spezifisch bei resistenten Tumoren akkumulieren und die Wirkstoffe freigeben