Methods and models for the investigation of the uptake of nanoparticles into hair follicles

Abstract

In this thesis in vitro skin models and methods were established to investigate the follicular uptake of nanoparticles (NP), especially quantitatively to estimate their potential for the transfollicular vaccination approach. To figure the amount of NP that can be deposited into the hair follicles a method was developed to quantify the follicular uptake of NPs. Comparing the results found in vitro in the pig ear model with the situation in vivo in human forearms an excellent in vitro in vivo correlation between both models was demonstrated, supporting the pig ear as surrogate for the situation in vivo. To optimize the penetration efficiency of nanoparticles surface modifications were investigated as well as application techniques. The presence of different phospholipid coatings on the surface of poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) NPs modulated the quantity of their penetration into the hair follicles. Massage is known to enhance the follicular penetration depth of applied NPs. However it was observed that massage cannot enhance the amount of NPs that penetrate the hair follicle. In a proof of concept study, PLGA and chitosan-PLGA NPs were prepared with ovalbumin (OVA) as model antigen. In a cell culture assay CD4+ and CD8+ T-cells were stimulated by encapsulated OVA to a larger extent than by OVA in solution. An adoptive transfer experiment in mice confirmed the possibility of transfollicular vaccination without previous treatment of the skin.

In dieser Arbeit wurden in vitro Hautmodelle und Methoden zur Untersuchung, insbesondere der quantitativen, follikulären Aufnahme von Nanopartikeln (NP) entwickelt um deren Eignung für die transfollikuläre Vakzinierung zu untersuchen. Es wurde eine Quantifikationsmethode entwickelt, um die Menge an NP zu bestimmen, die im Haarfollikel deponiert wird. Zwischen den Ergebnissen mit dem Schweineohr als in vitro-Modell und dem Unterarm von Probanden in vivo besteht eine hervorragende in vitro–in vivo-Korrelation, welche die Eignung des Schweineohrs als Surrogat für die Situation in vivo belegt. Um die Effektivität der Penetration in die Haarfollikel zu optimieren, wurde untersucht welchen Einfluss Oberflächenmodifikationen am NP und die Anwendung spezieller Auftragetechniken haben. So sind Überzüge aus verschiedenen Phospholipiden in der Lage das Ausmaß der Penetration von NP aus Polylactid-co-Glycolid (PLGA) zu modulieren. Es ist bekannt, dass NP tiefer in die Haarfollikel eindringen, wenn sie in die Haut einmassiert wurden. Jedoch vermag Massage nicht die Menge im Haarfollikel zu steigern. Für eine Machbarkeitsstudie wurden PLGA und Chitosan-PLGA NP mit Ovalbumin als Modellantigen beladen hergestellt. Im Zellkulturversuch wurden CD4+- und CD8+-T-Zellen durch Ovalbumin beladenen Partikel stärker stimuliert als durch eine Ovalbumin-Lösung. Beim adoptiven Zelltransfer im Mausmodel konnte bestätigt werden, dass die transfollikuläre Vakzinierung ohne Vorbehandlung der Haut möglich ist.