Hydrophilic drug delivery based on gelatin nanoparticles

Abstract

For the ascending class of hydrophilic, macromolecular drugs, gelatin based nanocarriers are a very promising approach for the application as drug delivery systems. Due to the chemical characteristics and instability of drugs in biological fluids, their embedment into carriers is crucial for most biologicals. For the successful application of nanoparticles (NPs) physicochemical parameters, such as size, shape, surface chemistry and mechanical properties, are vitally important. In the present thesis the elasticity of crosslinked gelatin NPs is determined in Young´s moduli by the nanoindentation method in scanning probe microscopy. The influence of storage and different crosslinking time are investigated in regard to the particles’ stiffness. Here the biological relevance of the mechanical characteristics is tested in vitro. In order to avoid an inactivation, caused by the covalent coupling of the drug to the gelatin by a crosslinker, an innovative stabilization approach was taken by coating or embedment of freshly prepared, uncrosslinked gelatin NPs. Therefore, a formulation for a new platform delivery system, based on biodegradable and biocompatible materials, was developed. This was evaluated as a non-viral vector for gene delivery by the entrapment of locked nucleic acid and in transfection studies using a plasmid coding for green fluorescent protein. The exact polymer distribution was investigated in cryo transmission electron microscopy and energy filtered transmission electron microscopy.

Für den Transport von hydrophilen makromolekularen Wirkstoffen stellen Gelatinenanopartikel (GNP), aufgrund der Eigenschaften von Gelatine und deren Biokompatibilität, eine vielversprechende Möglichkeit dar. Eigenschaften wie Partikelgröße und -form, Oberflächenbeschaffenheit und mechanische Aspekte spielen eine Rolle in Bezug auf die zelluläre Aufnahme sowie Verteilung und Verweildauer der Partikel im Körper. In der vorliegenden Arbeit wurde die Elastizität von quervernetzten GNP als Young´s Moduli durch Nanoindentation im Rasterkraftmikroskop ermittelt. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Quervernetzungszeit und der Lagerung auf die Partikelhärte getestet. Die biologische Bedeutung der Elastizität wurde durch die zelluläre Aufnahme in A549 Zellen untersucht. In einem weiteren Schritt wurde an einer innovativen Stabilisierung für GNP gearbeitet, bei der auf das bisher unausweichliche Quervernetzen verzichtet wurde. Dadurch soll eine mögliche Wirkstoffinaktivierung durch eine kovalente Bindung an Gelatine mittels Quervernetzer umgangen werden. Für die Formulierung wurden ausschließlich biokompatible und bioabbaubare Polymere verwendet. Die Eignung hinsichtlich der Nutzung als non-viraler Vektor wurde mittels Beladung von locked nucleic acid und der Transfektion von, mit grün fluoreszierendem Protein codierendem Plasmid, beladenen Partikeln evaluiert. Außerdem wurde eine Strukturanalyse mittels kryo-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und energiegefiltertem-TEM durchgeführt.