Aspherical, Nanostructured Microparticles For Pulmonary Gene Delivery To Alveolar Macrophages

Abstract

The introduction of shape as a design parameter for particulate carrier systems shows promising potential to improve drug and gene delivery. In order to optimize current therapeutic strategies, various new particle geometries were proposed to adapt to specific hurdles of application routes and to modify interactions within biological environments. For the transport of active agents into the respiratory tract, elongated, aspherical particles were shown to reach the alveolar region and additionally offering the modification of the clearance rate by alveolar macrophages. In the presented work a template-assisted particle engineering technique was used to fabricate elongated, cylindrical microparticles of defined diameter and length. Therefore, nanoparticles were interconnected with each other within shape defining pores of a template membrane building up a micron structure. Designed as a gene delivery system, plasmid DNA and a lysosomal buffering agent were applied as a functional polymer coating, which at the same time provided the stabilization of the system. The resulting microparticles were shown to be qualified for pulmonary administration featuring aerodynamic properties to reach the deep lung. In addition, particle geometry was adjusted to provide high uptake rates into alveolar macrophages as the target cells while showing no cytotoxicity. A successful implementation of the transported gene into the phagocytes could be shown in cell culture studies on MH-S cells (murine alveolar macrophages). The transfection provided by the carrier system was also successfully translated into a mouse lung model (BALB/c) qualifying the presented microparticles for the targeted gene delivery to alveolar macrophages.

Die Formgebung von partikulären Trägersystemen birgt großes Potential für die Verbesserung der Pharmako- und Gentherapie. Um den spezifischen Ansprüchen verschiedener Applikationen gerecht zu werden, wurde bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Formen eingeführt, insbesondere mit der Absicht den Transport der Wirkstoffe zu verbessern und Interaktionen mit dem Organismus zu modifizieren. Speziell für den effizienten Transport von Therapeutika in die Lunge konnten asphärische Partikel als vorteilhaft identifiziert werden. Zusätzlich konnte für diese Partikelart gezeigt werden, dass die Aufnahme durch Makrophagen gezielt verbessert oder auch verlangsamt werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Template-gestützte Methode für die Herstellung von asphärischen, zylindrisch geformten Mikropartikeln angewendet. Die Methode erlaubte dabei die exakte Einstellung des Durchmessers und der Länge der Partikel. Dafür wurden kleinere Nanopartikel innerhalb einer formgebenden Matrize miteinander verbunden, indem eine Beschichtung mit Polymeren erfolgte. Die hierfür verwendeten Substanzen waren eine Plasmid-DNA und ein Stickstoffpolymer mit hoher Pufferkapazität, um die Partikel als Gentransportsystem einzusetzen. Die erhaltenen Mikropartikel wurden erfolgreich auf ihre Lungengängigkeit geprüft und ermöglichen eine hohe Aufnahme in Alveolarmakrophagen. Toxische Effekte konnten für die Partikel nicht beobachtet werden. In Zellkultur-Experimenten an Alveolarmakrophagen der Maus konnte gezeigt werden, dass die Partikel eine Einschleusung des transportierten Gens in den Kern der Zellen bewerkstelligen können. Zusätzlich konnte auch im lebenden Tier (BALB/c Mäuse) eine Expression des Gens gezeigt werden, was die präsentierten Mikropartikel zu einem geeigneten Kandidaten für die Gentherapie in der Lunge macht.