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Authors: Watermann, Anna Elisabeth Katharina
Title: Evaluation of Mesoporous Silica Nanoparticles for Head and Neck Cancer Therapy
Online publication date: 24-Oct-2019
Language: english
Abstract: Jedes Jahr erhalten etwa 500 000 Deutsche die Diagnose Krebs und die Anzahl der Krebspa-tienten wird laut Prognosen in den nächsten Jahren steigen. Die therapeutischen Möglichkei-ten sind abhängig von der Krebsart und der Konstitution des Patienten/ der Patientin wie auch die Überlebenschancen. Falls möglich, wird der Tumor chirurgisch entfernt, bestrahlt und/ oder mit Chemotherapie behandelt. Jedoch sind insbesondere die Entfernung und Bestrahlung nicht für alle malignen Tumore möglich, besonders Metastasen stellen eine Herausforderung dar. Außerdem führen Bestrahlung und Chemotherapie häufig zu Nebenwirkungen, die die Therapieoptionen weiter einschränken können. Durch eine gezieltere Verabreichung des Wirkstoffs können unerwünschte Arzneimittelwirkungen abgemildert und eine Erhöhung der Dosis am Tumor erreicht werden. Dafür eignen sich Wirkstofftransportsysteme wie mesoporöse Si-likananopartikel (MSN), die in dieser Arbeit als Transporter evaluiert wurden. Die hier verwen-deten MSN bestanden aus einem dendritischen Siliciumoxidgeflecht mit integriertem Fluores-zenzfarbstoff. In die daraus resultierenden Poren konnten verschiedene Wirkstoffe eingebracht werden und diese wurden anschließend mit einem pH- und Redox-sensitiven Verschlusssys-tem ausgestattet, das aus Ferrocen und β-Cyclodextrin bestand. Dann wurden die Biokompa-tibilität sowie die zelluläre Aufnahme anhand von Zellkulturversuchen und die in vivo Biodistri-bution mit dem HET-CAM Model untersucht. Insgesamt war die Biokompatibilität sehr hoch und eine zeitabhängige zelluläre Aufnahme in Endosomen und Lysosomen wurde festgestellt. In vivo wurden die MSN hauptsächlich in der Leber und den Nieren detektiert, gleichzeitig auch wenige MSN in einem Tumor, der in die CAM eingewachsen war. Weiterhin konnte die zellulä-re Aufnahme durch die Konjugation eines Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR)-Antikörpers an den unbeladenen Wirkstofftransporter beschleunigt werden. Als Zweites wur-den die Wirkstoffbeladung und -freisetzung untersucht, indem das Chemotherapeutikum Doxorubicin, das über toxische und fluoreszierende Eigenschaften verfügt, in die MSN inkorpo-riert wurde. Es konnte eine effiziente Beladung durchgeführt und eine retardierte Freisetzung in zwei Krebszelllinien beobachtet werden. Als besonders herausfordernd stellte sich die Bela-dung der MSN mit siRNA und die Freisetzung dieser dar, da eine Wirkung der siRNA nicht festgestellt werden konnte. Die Porengröße der MSN wurde vergrößert und verschiedene Be-ladungsprotokolle wurden verwendet, jedoch ohne eine Wirkung der siRNA nachweisen zu können. Schließlich wurden die mit siRNA beladenen MSN mit einem lipid-basierten Transfek-tionsreagenz verschlossen, was zu einer starken Erhöhung der zellulären Nanopartikelauf-nahme führte, nicht jedoch zu einer Wirkung der siRNA auf die mRNA- und Proteinexpression. Dies konnte auch nicht durch die Konjugation eines EGFR-Antikörpers an siRNA-beladene und mit Ferrocen und β-Cyclodextrin verschlossene MSN erreicht werden. Insgesamt zeigten die MSN mit dem primär verwendeten Verschlusssystem vielversprechende Eigenschaften bezüglich Biokompatibilität und Wirkstofftransport von Doxorubicin, jedoch konnte ein effizienter siRNA-Transport nicht umgesetzt werden. Somit stellen große und gela-dene Moleküle eine Herausforderung für den Wirkstofftransport mittels MSN dar. Gleichwohl sind MSN als Wirkstofftransportsystem niedermolekularer Wirkstoffe hervorragend für eine zielgerichtete Therapie von Kopf- und Halsplattenepithelkarzinomen geeignet.
More than half a million Germans are newly diagnosed with cancer every year, and prognosis revealed increasing numbers in the future. The therapeutic options are dependent on the can-cer type and the patients’ overall health condition; the same applies to survival rates. If possi-ble, solid tumors are surgically removed, irradiated, or treated with chemotherapy. However, not all malignant tumors – especially metastases – can be reached with irradiation or surgical intervention and side-effects often limit the therapeutic intervention. Targeted therapy can re-duce side-effects and increase the dose at the tumor site. This can be achieved by drug deliv-ery vehicles such as mesoporous silica nanoparticles (MSNs) that were evaluated as drug nanocarrier in this work. MSNs consist of a dendritic silica network that generates pores that can be loaded with different drugs and should be sealed. First, MSNs were equipped with a pH- and redox-sensitive gatekeeper system consisting of ferrocene and β-cyclodextrin. The biocompatibility, cellular uptake, and biodistribution of the sealed MSNs were analyzed in vitro in several cancer cell lines and in vivo using the CAM assay, respectively. The overall biocom-patibility was remarkably good; the MSNs were taken up time-dependently by cancer cells and localized in the endolysosomal system. The MSNs were found mainly in the liver and kidneys of chicken embryos but also in the tumor which grew within the CAM. The addition of an epi-dermal growth factor receptor (EGFR)-antibody to the MSNs accelerated nanoparticle uptake. Second, the drug loading and release were examined with the chemotherapeutic drug doxoru-bicin because of its toxic and fluorescent characteristics. Efficient drug loading was achieved, and a retarded release of doxorubicin was observed in two cancer cell lines. Third, siRNA load-ing and release were studied which was highly challenging. The MSN pore size had to be ad-justed, and different loading protocols were tested without success. Eventually, siRNA was loaded to the MSNs and a lipid-based transfection agent was added to seal the pores. Alt-hough MSN uptake increased tremendously, no siRNA release could be detected by determin-ing mRNA and protein expression, respectively. When an EGFR-antibody was added to the siRNA-loaded MSNs, also no siRNA efficacy was noticed. Overall, the MSN-based drug delivery system showed promising characteristics regarding bio-compatibility and transport of the small molecule drug doxorubicin, but efficient siRNA transport was not achieved. Thus, the transport of large and charged molecules by MSNs is challenging. Nevertheless, MSNs are suited as drug delivery vehicles for small molecule drugs in head and neck cancer therapy.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: MaxPlanck GraduateCenter
FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
FB 04 Medizin
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2350
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000031333
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XVIII, 170 Blätter
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