Tracing physicochemical and structural changes in drug delivery systems and human cells by confocal Raman microscopy

Abstract

The advances in drug delivery research regarding formulation strategies and technologies, and at the same time high regulatory demands for novel therapeutics, in turn require advanced analytical methods for their investigation. In this work, confocal Raman microscopy is successfully applied as a label-free, chemically selective and non-destructive method for in-depth analysis to gain insight into complex drug carrier systems, to understand cellular and non-cellular barriers in the human body, as well as to visualize drug and carrier uptake. The studies include examination of pellets and tablets, designed for controlled drug release, elucidation of mass transport mechanisms and in situ drug recrystallization upon drug release. Furthermore, the polymer distribution within bio-inspired polymeric fiber mats was visualized and successfully correlated to interactions of the fibers with human cells. Moreover, confocal Raman microscopy was used for investigation of human airway mucus microstructure, and for tracing molecular and structural changes upon chemical mucolysis. Further, the alveolar surfactant, was examined upon differentiation of primary epithelial lung cells utilizing both, linear and coherent Raman techniques. Finally, particle uptake into cells with different membrane properties was investigated by label-free intracellular trafficking of bioinspired therapeutics for targeted drug delivery. Altogether, this newly gained knowledge will help further advancement in drug delivery research beyond the current state-of-the-art.

Die Fortschritte in der Entwicklung von Wirkstofftransporter-Systemen, insbesondere bezüglich neuerer Formulierungsstrategien und -technologien, und die hohen regulatorischen Anforderungen für neue Therapeutika erfordern hochentwickelte analytische Methoden für deren Untersuchungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde konfokale Raman Mikroskopie erfolgreich als eine markierungsfreie, chemisch selektive und nicht-destruktive Methode für eine detaillierte Analyse verwendet, um einen Einblick in komplexe Wirkstoffträgersysteme zu gewinnen, zelluläre und nicht-zelluläre menschliche Barrieren im menschlichen Körper zu verstehen, sowie Arzneistoffe und Partikel zu visualisieren. Die Studien umfassen Untersuchungen von Pellets und Tabletten für die kontrollierte Wirkstofffreigabe, erklären den Massentransportmechanismus und die in situ Wirkstoffrekristallisation nach Wirkstofffreisetzung. Darüber hinaus konnte die Polymerverteilungen innerhalb bio-inspirierter, elektrogesponnener Vliese visualisiert und deren Interaktion mit den menschlichen Zellen korreliert werden. Außerdem konnte die konfokale Raman-Mikroskopie für die Untersuchung der Mikrostruktur von Mukus aus den humanen Atemwegen und zur Verfolgung molekularer und struktureller Veränderungen nach chemischer Mukolyse eingesetzt werden. Mit Hilfe linearer und kohärenter Ramantechniken konnte zudem das alveolare Surfactant während der Differenzierung primärer epithelialer Lungenzellen untersucht werden. Letztlich wurde die Aufnahme von Partikeln in Zellen mit unterschiedlichen Membraneigenschaften mittels markierungsfreier, intrazellulärer Nachverfolgung von bio-inspirierten Therapeutika für die zielgerichtete Arzneistoffapplikation analysiert. Das hier neugewonnene Wissen erlaubt somit weitere Fortschritte in der Forschung des Wirkstofftransports jenseits des aktuellen Wissensstandes.