Label-free analysis of drug delivery systems and cellular interaction studies using confocal Raman microscopy

Abstract

In pharmaceutical development many questions still remain unsolved despite the availability of many analytical techniques. Consequently, the need of novel analytical approaches is not yet satisfied. In this thesis, confocal Raman microscopy is utilized to fill the scientific gap. In fact, the benefit of this non-destructive, label-free visualization technique for profound analysis in complex pharmaceutical applications is successfully demonstrated. The impact of drying on drug distribution is proven by localizing the drug in wet-extruded pellets with Raman imaging. Additionally to this finding, the correlation between drug distribution and release is successfully elucidated. For the first time, confocal Raman microscopy is combined with optical profilometry. Thus, the limitations of the confocal microscope are overcome and all-encompassing component visualization in complex drug delivery systems exhibiting challenging structured surfaces is realized. During development of a lipid-based drug permeation model, the successive formation of the permeation barrier during coating is finally described using Raman analysis. Investigations benefit tremendously from a combination of chemical imaging in lateral and vertical planes to depict barrier integrity and stability. Finally, human cells as well as the uptake of different nanoparticles are analyzed label-free in aqueous environment, utilizing linear and coherent Raman techniques.

In der pharmazeutischen Entwicklung bleiben trotz der Verfügbarkeit diverser analytischer Techniken viele Fragestellungen unbeantwortet. Daher ist die Etablierung neuer analytischer Ansätze notwendig. Diese Arbeit beschäftigt sich mit konfokaler Raman-Mikroskopie als Möglichkeit, die Lücke zu schließen. Die Eignung dieser zerstörungs- und label-frei arbeitenden Technik zur differenzierten Probenvisualisierung für diverse pharmazeutische Fragestellungen wird erfolgreich demonstriert. Der Einfluss vom Trocknungsprozess auf die Wirkstoffverteilung im Pellet wird durch Lokalisation des Wirkstoffs mittels Raman Imaging belegt. Dadurch wird auch die Korrelation zwischen Wirkstoffverteilung und Freisetzung aufgeklärt. Erstmals wird konfokale Raman-Mikroskopie mit optischer Profilometrie kombiniert. Es werden komplexe Arzneistoffträgersysteme mit strukturierten Oberflächen detailliert dargestellt, ohne durch das konfokale Mikroskop eingeschränkt zu sein. Durch Abbildung der einzelnen Coatingschritte in chemisch selektiven Raman-Bildern in der Entwicklungsphase eines lipidbasierten Permeationsmodells wird der sukzessive Aufbau der Permeationsbarriere erstmalig nachvollzogen. Die prozessbedingte ungleiche Dicke der Barriere sowie deren Integrität werden erfolgreich durch die Aufnahme von virtuellen Querschnittsbildern abgebildet. Darüber hinaus werden humane Zellen und die Aufnahme von Nanopartikeln label-frei mit linearen und kohärenten Raman-Techniken in wässrigem Medium untersucht.