Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4465
Authors: Fritz, Thomas
Title: Multifunctional liposomes: Microscale formulation, modification and in vitro interaction
Online publication date: 10-Jul-2018
Language: english
Abstract: Liposomes have been in clinical application for over two decades and are the arguably most important class of nanoparticulate therapeutics. However, the investigation of functionalized liposome systems is yet limited by synthetic access as well as by material and time consumption. Dual centrifugation (DC) has previously been established as a valuable method for the rapid formulation of liposomes in small batch sizes. However, standard laboratory-scale syntheses of novel polymeric amphiphiles typically only allow for a relatively limited number of preparations. Here, DC formulation was scaled down to the single-digit milligram scale of total lipids, while beneficial properties such as high encapsulation efficiencies (EE) were preserved. This enabled the detailed investigation of the formulation parameter space of liposomes that contained rare prototype compounds. Efficient surface derivatization routes are key requirements for the use of valuable targeting ligands. After having established CuAAC chemistry for surface modification of liposomes recently, this tool was used to investigate the in vitro interaction of a new class of polyglycerol amphiphiles. Live cell imaging revealed a rapid desorption of cholesterol-based amphiphiles from the liposome surface. While the sterical stabilization of these vesicles was intended to prevent unspecific interaction in biological systems, the observed instability rendered the use of such amphiphiles questionable. The permutation of the amphiphile structures, membrane anchors and reactive groups, and the application of orthogonal derivatization via CuAAC and IEDDA revealed that solely the cholesterol anchorage caused the mentioned desorption effects. Consistently, less effective active targeting of folic acid-containing cholesterol-amphiphiles was found when compared to dialkyl-substituted anchors. However, these more stable membrane anchors were also found to desorb after binding to cellular folate receptors, which suggested fundamental implications for the rational design of liposome membrane anchors. While sterical stabilization provides “stealth” properties to liposomes to overcome rapid clearance from the blood stream in vivo, it typically also decreases interaction with and delivery to cells in the target tissue. As a potential solution, a novel class of acid-cleavable amphiphiles that contained acetal or ketal groups was investigated for stabilization of liposomes. Half lifes at lysosomal-like pH of 5.4 were found to be 20 h and 15 min, respectively, and therefore illustrated the suitability of these systems for the controlled shedding of liposomes. Enabled by the substantial decrease of material consumption, polymersomes and polymeric micelles have been prepared via micro scale DC formulation in a proof-of-concept study, while characteristics of DC formulations like narrow size distributions and high EE were maintained. In contrast to conventional formulation methods, such as solvent switching, substantial benefits regarding time consumption and preparation yields rendered micro scale DC formulation a highly valuable tool for such systems.
Liposomen sind seit über zwei Jahrzehnten in klinischer Anwendung und die vermutlich wichtigsten nanopartikulären Therapeutika. Die Entwicklung von funktionalisierten Liposomen ist jedoch noch immer limitiert durch synthetische Möglichkeiten sowie Material- und Zeitbedarf. Duale Zentrifugation (DC) ist eine bereits etablierte Methode zur schnellen Formulierung von Liposomen in kleinen Ansätzen. Gewöhnliche Synthesen von neuartigen Polymeramphiphilen im Labormaßstab erlauben jedoch typischerweise nur eine relativ limitierte Anzahl an Präparationen. DC Formulierung wurde daher in den einstelligen Milligrammbereich der Gesamtlipide herunterskaliert, wobei die vorteilhaften Eigenschaften wie z. B. hohe Einschlusseffizienz (EE) erhalten blieben. Dies ermöglichte die detaillierte Untersuchung des Parameterraums der Formulierung von Liposomen, welche rare Prototypstrukturen enthielten. Effiziente Strategien zur Oberflächenderivatisierung sind Schlüsselvoraussetzungen für die Anwendung teurer Targetingliganden. Vor kurzem etabliert, wurde CuAAC Chemie zur Modifizierung von Liposomen nun zur Untersuchung der in vitro Interaktionen einer neuen Klasse von Polyglycerolamphiphilen genutzt. Mikroskopie an lebenden Zellen zeigte eine schnelle Desorption von cholesterol-basierten Amphiphilen von der Liposomenoberfläche, was wegen der unzureichenden Verhinderung von unspezifischen Interaktionen in biologischen Systemen die Anwendbarkeit solcher Amphiphile infrage stellte. Permutation von Amphiphilstrukturen, Membranankern und reaktiven Gruppen, sowie die Anwendung orthogonaler Derivatisierung via CuAAC und IEDDA zeigten, dass ausschließlich Cholesterolanker die genannten Desorptionseffekte verursachten. Zusätzlich zeigte sich das aktive Targeting mit Folsäure-Cholesterol-Amphiphilen als weniger effektiv im Vergleich mit dialkylsubstituierten Ankern. Diese stabileren Lipidanker zeigten jedoch ebenso eine Desorption nach der Bindung an zelluläre Folsäurerezeptoren, was fundamentale Folgerungen für das rationale Design von derartigen Strukturen implizierte. Während sterische Stabilisierung der schnellen Eliminierung aus dem Blutstrom vorbeugen soll, wird typischerweise auch die Interaktion mit den Zellen des Zielgewebes reduziert. Als ein möglicher Lösungsansatz wurde eine neue Klasse von säurespaltbaren Amphiphilen, welche Acetal- und Ketalgruppen enthielten, zur Stabilisierung von Liposomen untersucht. Halbwertszeiten bei lysosomartigen pH-Werten von 5.4 waren jeweils 20 h und 15 min, was die Verwendbarkeit solcher Systeme für die kontrollierte Destabilisierung von Liposomen bestätigte. Ermöglicht durch die starke Reduktion des Materialverbrauchs wurden Polymersomen und Polymermicellen via Mikro-DC Formulierung in einer Machbarkeitsstudie hergestellt, wobei die Eigenschaften der DC Formulierung, wie z.B. hohe EE, erhalten blieben. Im Vergleich mit konventionellen Methoden wie z.B. Lösungsmittelaustausch, stellten große Vorteile in Zeitbedarf und Ausbeuten die Mikro-DC als ein wertvolles Werkzeug für solche Systeme dar.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
MaxPlanck GraduateCenter
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4465
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000020797
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: xvii, 153 Seiten
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