Nanotechnology enabled drug delivery of proteins and peptides to the lung

Abstract

In addition to the so-called small molecule drugs, proteins and peptides are of increasing interest for pharmacotherapy, due to several advantageous properties. In general, those compounds are administered parenterally. However, non-invasive routes of administration represent a great part of research. Amongst others is the pulmonary application of proteins and peptides for local delivery in the case of pulmonary diseases, such as idiopathic pulmonary fibrosis, where the alveolar epithelium is affected. To ensure an intracellular delivery, nanoparticles in a size range of 150 nm were prepared via charge-mediated coacervation, characterized for their physicochemical properties and loaded with several model-proteins and -peptides. The material used for nanoparticle preparation was chosen to be positively and negatively charged starch derivatives, which were synthesized from potato starch. Although nanoparticles in that size range are known to show an increased cell uptake, they do not show a high deposition in the deep lung. Thus, an advanced carrier system consisting of a fast dissolving microparticle matrix with embedded starch nanoparticles was developed and characterized. Due to its aerodynamic properties, that carrier system was able to deposit a high fraction of the applied dose in the deep lung (~50%), while at the same time demonstrating (in in vitro models) the ability to facilitate uptake of starch nanoparticles into cells of the alveolar epithelium after fast dissolution of the microparticle matrix.

Aufgrund zahlreicher Vorteile, stellen Proteine und Peptide eine vielversprechende Erweiterung der Pharmakotherapie dar, weg von sogenannten small molecule drugs. Die nicht-invasive Applikation solcher Wirkstoffe steht heutzutage im Fokus der Forschung. Unter anderem zählt hierzu die pulmonale Applikation von Proteinen und Peptiden für die lokale Gabe bei bestimmten Lungenerkrankungen wie z.B. der idiopathischen pulmonalen Fibrose, bei der vor allem das Alveolarepithel betroffen ist. Um ein intrazelluläres Delivery zu gewährleisten wurden Nanopartikel durch ladungsvermittelte Koazervation im wässrigen Medium mit einem Größenbereich um die 150 nm hergestellt und charakterisiert. Im Anschluss wurden die Nanopartikel mit verschiedenen Modell-Proteinen und -Peptiden beladen. Das Material für die Nanopartikel bestand dabei aus negativ und positiv geladenen Stärkederivaten, welche aus Kartoffelstärke synthetisiert wurden. Da Nanopartikel in diesem Größenbereich zwar eine Aufnahme in die Zelle erleichtern, allerdings keine hohe Depositionsrate in der tiefen Lunge erreichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein spezielles Drug Delivery System, bestehend aus in einer sich schnell auflösenden Mikropartikel Matrix mit eingebetteten Nanopartikeln, entwickelt und charakterisiert. Durch seine aerodynamischen Eigenschaften ist das Drug Delivery System fähig einen Großteil der applizierten Dosis in der tiefen Lunge zu deponieren (~50%), als auch, nach der schnellen Auflösung der Mikropartikel Matrix, die Aufnahme der Nanopartikel in das Lungenepithel (in vitro) zu gewährleisten.