Diffusion of nanoparticles in the porcine vitreous

Posterior eye segment diseases, such as age-related macular degeneration, are leading causes of preventable visual impairment in the developed countries. Direct intravitreal injections are currently routinely used to deliver therapeutic agents most efficiently to posterior eye segment. Regular injections can however cause ocular complications and some drugs may also be toxic to ocular tissues at high local concentrations of free drug. Different nano-sized particulate systems have been extensively studied as possible drug delivery systems for intravitreal administration offering sustained, local drug action with controlled release. The vitreous gel can form a barrier for diffusion of particles due to its macromolecular structure and composition. Furthermore, ageing and different disease states cause changes in the vitreous structure possibly resulting in shift in the intravitreal movement of particulate systems. In the literature part of this Master's thesis ocular drug delivery is reviewed with main focus on drug targeting in the posterior eye segment. In the experimental work liposomes with different lipid compositions and surface charges were prepared as model particulate systems to evaluate the intravitreal diffusion of nanoparticles with confocal microscope. Furthermore, the influence of aging on the intravitreal diffusion was modeled by enzymatic degradation of the vitreous gel structure. It is discovered that vitreous gel hinders the movement of nanoparticles. Level of hindrance depends on particle's characteristics. 100-200 nm anionic particles move quite freely in the negatively charged vitreous gel. Similarly sized cationic particles are immobile in the vitreous due to electrostatic interactions between surface of the cationic particle and anionic glycosaminoglycans in the vitreous. 1 µm anionic and cationic particles are sterically trapped inside the vitreous meshwork created by the 3-dimensional biopolymer network of the vitreal macromolecules. Vitreous liquefaction increases the diffusion rate of nanoparticles but the clinical impact on ocular pharmacokinetics needs further research.Silmän takaosan sairaudet, kuten silmänpohjan ikärappeuma, ovat yksi näkövammaisuuden yleisimmistä syistä länsimaissa. Suoran lasiaisruiskeen avulla lääkeaine saadaan annosteltua tehokkaasti silmän takaosaan. Säännölliset lasiaisruiskeet voivat kuitenkin aiheuttaa komplikaatioita ja osa vapaista lääkeaineista voivat olla toksisia silmän kudoksille. Erilaisia nanokokoisia lääkkeenkantajia on tutkittu mahdollisina vaihtoehtoina silmän takaosaan lasiaisinjektion avulla annosteltaviksi lääkeaineformulaatioiksi. Lääkkeenkantajat mahdollistavat kohdennetun ja pidennetyn lääkevaikutuksen. Lasiainen voi rakenteensa ja koostumuksensa vuoksi muodostaa esteen nanopartikkeleiden kulkeutumiselle. Lisäksi ikääntyminen ja erilaiset silmän sairaudet voivat muuttaa lasiaisen rakennetta, jolloin partikkeleiden kinetiikka lasiaisessa voi muuttua. Tämän Pro Gradu -työn kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan lääkkeiden annostelua silmään painopisteenä lääkevaikutuksen kohdentaminen silmän takaosaan. Kokeellisessa osassa valmistettiin liposomeja eri lipidikoostumuksilla, jolloin liposomit eroavat pintavarauksiltaan. Liposomeja käytettiin esimerkkipartikkeleina tutkittaessa lääkkeenkantajien kulkeutumista lasiaisessa konfokaalimikroskoopin avulla. Ikääntymisen vaikutusta partikkeleiden kulkeutumiseen mallinnettiin hajottamalla lasiaisen rakennetta entsymaattisesti. Tuloksista havaitaan, että lasiainen muodostaa esteen partikkeleiden kulkeutumiselle. Estevaikutuksen suuruus riippuu partikkeleiden ominaisuuksista. 100-200 nm kokoiset anioniset partikkelit kulkeutuvat varsin vapaasti negatiivisesti varautuneessa lasiaisessa. Samankokoiset kationiset partikkelit ovat lähes liikkumattomia lasiaisessa partikkelin positiivisesti varautuneen pinnan ja lasiaisen negatiivisesti varautuneiden glykosaminoglykaanien välisten elektrostaattisten vuorovaikutusten vuoksi. 1 µm kokoiset anioniset ja kationiset partikkelit takertuvat steerisesti lasiaisen biomolekyylien muodostamaan verkkomaiseen rakenteeseen. Nanopartikkeleiden diffuusionopeus kasvaa nesteytyneessä lasiaisessa, mutta muutoksen kliininen merkitys silmän sisäiseen kinetiikkaan vaatii lisätutkimuksia