Biocompatibility of perfluorocarbon-based artificial oxygen carriers

Bis heute ist die Entwicklung künstlicher Blutersatzstoffe ein Forschungsgebiet von größtem Interesse, da aufgrund der demogafischen Entwicklung und der abnehmenden Spendebereitschaft der Bevölkerung in Zukunft mit einem zunehmenden Mangel an Blutkonserven zu rechnen ist. Die Verfügbarkeit künstlicher Sauerstoffträger wäre sowohl für die routinemäßige Versorgung von Patienten als auch für die präklinische Notfallversorgung von Schwerstverletzten von größter Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit erfolgte eine in vitro- und in vivo-Charakterisierung neuartiger künstlicher Sauerstoffträger auf Perfluorcarbon-Basis in Form von PFD-gefüllten PLGA-, PACA- und Albumin-Kapseln. Im Rahmen der in vitro-Charakterisierung wurde die Keimfreiheit und die mikrobielle Stabilität der Kapselsuspensionen überprüft sowie deren Einflüsse auf die dynamische Viskosität von Blut untersucht. Zudem wurde ein in vitro-Assay zur Messung der Sauerstoffkapazitäten der Kapselsuspensionen etabliert. Im Rahmen der in vivo-Charakterisierung wurde die biologische Verträglichkeit der neuartigen künstlichen Sauerstoffträger im Rattenmodell untersucht. Neben der Evaluation toxikologischer Effekte wurden die Einflüsse der Kapselsysteme auf die Mikrozirkulation und die Integrität von Organstrukturen analysiert. Darüber hinaus wurden die intravasalen Halbwertszeiten und die in vivo-Verteilung der neuartigen künstlichen Sauerstoffträger bestimmt. Eine Lagerung der Kapselsuspensionen war ohne Zusatz von Konservierungsstoffen möglich, was eine Grundvoraussetzung für klinische Anwendungen ist. Bei den Messungen der dynamischen Viskositäten von Blut zeigte sich, dass für PFD-haltige künstliche Sauerstoffträger im Allgemeinen Trägerlösungen mit einem möglichst geringen Salzanteil wie z. B. 5%ige Albumin-Lsg. gewählt werden sollten. Bezüglich der Sauerstoffkapazitäten hätten prinzipiell alle untersuchten Kapseltypen, bei einer ausreichend hohen Kapselkonzentration, das Potenzial als künstliche Sauerstoffträger zu fungieren. Eine 64 Vol.-%ige Albumin-Kapselsuspension weist zum jetzigen Entwicklungsstand sogar höhere Sauerstoffkapazitäten auf als ein bereits zugelassenes Präparat auf Perflourcarbon-Basis. Darüber hinaus übertrifft die 64 Vol.-%ige Albumin-Kapselsuspension ein Erythrozytenkonzentrat hinsichtlich der bereitgestellten Sauerstoffmenge im Organismus. Schwerwiegende Nebenwirkungen wie eine transiente Hypotension, Störungen der Mikrozirkulation und Organschädigungen nach intravenöser Infusion der PLGA- und PACA-Kapseln widersprechen jedoch einem Einsatz in der Notfallmedizin, so dass die therapeutische Relevanz dieser Kapseltypen zum jetzigen Stand der Entwicklung fraglich ist. Nach intravenöser Infusion der Albumin-Kapseln manifestierten sich filtrationsbedingte Kapselakkumulationen in der Milz. Alles in allem überzeugte diese in 5%iger Albumin-Lsg. suspendierten Kapseln aber durch eine sehr gute biologische Verträglichkeit und eine im Vergleich zu anderen nicht oberflächenmodifizierten Nanokapseln lange intravasale Halbwertszeit. Ein Einsatz der PFD-gefüllten Albumin-Kapseln als künstliche Sauerstoffträger im Rahmen der präklinischen Notfallversorgung kann aufgrund der Untersuchungen in dieser Arbeit insgesamt als therapeutisch relevant eingestuft werden.Because of the opponent steady decrease in blood donation and the demographic trend, a strong rise of the blood supply of the population is to anticipate in the future. Therefore, the development of artificial blood substitutes is in the focus of sciences. The disposability of artificial oxygen carriers would be a matter not only for the routine patient care but also for the preclinical care of severely injured. The present work was to investigate in vitro and in vivo studies on novel perfluorocarbon-based artificial oxygen carriers in terms of PFD-filled PLGA, PACA and albumin capsules. Within the scope of the in vitro studies, the microbial stability of the capsule suspensions was approved and their influence on the dynamic blood viscosity was discovered. Moreover, the establishment of an in vitro assay allowed the measurement of the oxygen capacities of the capsule suspensions. The performed in vivo studies enabled the examination of the biocompatibility of the different PFD-filled capsules in rats. In addition to the evaluation of toxicological effects, the capsule’s influences on the microcirculation and the integrity of organ structures were investigated. Furthermore, the intravascular half-life and the biodistribution pattern of the capsules were determined. Storage of the capsule suspensions did not require any supplementary preserving agents to protect from microbial contamination displaying an essential prerequisite for further clinical development. In the course of the measurement of the dynamic blood viscosities it turned out, that a saline-free carrier solution such as the 5% albumin solution should be used to suspend PFD-based artificial oxygen carriers. With regard to the oxygen capacities, all investigated capsules could serve as potential artificial oxygen carriers if adequate concentrations are used. A 64% albumin capsule suspension possesses even higher oxygen capacities than a perfluorocarbon emulsion that is already approved in different countries. Furthermore, the oxygen amount that can be supplied by the 64% albumin suspension in vivo betters the oxygen release of a red blood cell concentrate. After intravenous administration of PLGA and PACA capsules severe side effects, such as a transient hypotension, disorders in microcirculation and organ damage, occurred contradicting the use in paramedicine. Hence, the therapeutic relevance of the PLGA and PACA capsules must be contested at present. Intravenous infusion of albumin capsules caused accumulations in spleenic tissue being attributed to spleenic filtration, but altogether, albumin capsules exhibited a good biocompatibility and a comparatively long intravascular half-life. Due to the studies conducted in the present work, the therapeutic potential of the PFD-filled albumin capsules as artificial oxygen carriers in paramedicine could be proved