Novel anti-infective delivery systems for the treatment of pulmonary bacterial infections

Abstract

Drug delivery systems (DDS) have the capacity to overcome biological barriers limiting the bioavailability of inhaled anti-infectives. This is important to eradicate bacterial infections and to prevent the development of bacterial resistance. Despite substantial efforts in the field, the current state-of-the-art often fails to achieve those goals, and we still observe an increase in bacterial resistance. In the context of drug delivery of pulmonary anti-infectives, this work proposes three novel strategies (i) polyplexes based on natural polysaccharides (starch, chitosan and cyclodextrin), (ii) self-assembly of amphiphilic excipients (farnesylated chitosan, squalenyl hydrogen sulfate), (iii) innovative excipient-free nano-assemblies of aminoglycoside antibiotics and farnesyl quorum sensing inhibitors. The latter invention allows an exceptional 100% co-loading capacity of established antibiotics and innovative pathoblockers without the need of any additional excipients. The biofilm eradicating efficacy of such DDS increased 16-fold compared to free actives. Finally, the interaction between the DDS and some important pulmonary biological barriers, such as biofilm, mucus, and macrophages, was also investigated. The knowledge gained in this thesis advances the research in pulmonary anti-infectives delivery beyond the state-of-the-art.

Drug Delivery Systeme (DDS) haben die Fähigkeit, biologische Barrieren zu überwinden, welche die Bioverfügbarkeit inhalierter Antiinfektiva begrenzen. Dies ist wichtig, um bakterielle Infektionen zu beseitigen und die Entwicklung bakterieller Resistenz zu verhindern. Trotz erheblicher Anstrengungen auf diesem Gebiet werden diese Ziele vom derzeitigen Stand der Technik oft nicht erreicht, und wir beobachten immer noch eine Zunahme der bakteriellen Resistenz. Im Rahmen der pulmonalen Wirkstofffreisetzung von Antiinfektiva werden in dieser Arbeit drei neue Strategien vorgeschlagen: (i) Polyplexe auf der Basis natürlicher Polysaccharide (Stärke, Chitosan und Cyclodextrin), (ii) Selbstorganisations- Partikel aus amphiphilen Hilfsstoffen (farnesyliertes Chitosan, Squalenylhydrogensulfat), und (iii) innovative Hilfsstoff-freie Nano-Assemblys aus Aminoglycosid-Antibiotika und Farnesyl-Quorum-Sensing-Inhibitoren (QSI). Die letztgenannte Erfindung ermöglicht eine bemerkenswerte 100 %-ige Beladung, da sowohl das Antibiotikum als auch der Pathoblocker QSI Wirkstoffe darstellen und keine Hilfsstoffe mehr benötigt werden. Ein solches DDS verbessert die Biofilm-Elimination 16-fach im Vergleich zur Behandlung mit freien Wirkstoffen. Abschließend wurde die Interaktion zwischen den DDSs und einigen wichtigen biologischen Lungenbarrieren, wie Biofilm, Schleim und Makrophagen, untersucht, was die Forschung im Bereich der Verabreichung von pulmonalen Antiinfektiva weiter über den Stand der Technik hinaus vorantreibt.