Development of novel nanostructured drug carrier systems for targeting of human macrophages for inhalation treatment

Abstract

The modification of the particle shape for drug delivery systems to address the lungs offers a new field in the development of inhalable therapies. By using aspherical forms, advantageous properties are generated, which can be used for the treatment of various lung diseases. Thereby, the efficient and targeted transport of drugs with a modification of the uptake rate of immunologically active cell populations as well as an increased loading capacity due to the larger surface area compared to spherical particles, are in focus. In the present work, a nanostructured, cylindrical particle system in the micrometre range was developed, which was loaded with a specific small interfering RNA (siRNA) for inhibition of tumour necrosis factor alpha (TNF-α) to generate an anti-inflammatory effect in alveolar macrophages. In a first step, the obtained microparticles were characterized with respect to their aerodynamic properties. The measured results showed positive aerodynamic properties, which indicates a possible pulmonary application. Furthermore, both alveolar epithelial cells and macrophages showed good particle tolerance. Additionally, in vitro tests demonstrated that a significant inhibition of TNF-α could be induced by the particle system. These results could be further improved by modifying the delivery system to load an additional drug to enhance the anti-inflammatory effect, making the formulation developed in this thesis a possible carrier system for pulmonary administration.

Die Modifizierung der Partikelform von Arzneistoffträgersystemen zur Applikation der Lunge eröffnet ein neues Feld in der Entwicklung von inhalativen Therapien. Durch die Verwendung asphärischer Formen werden positive Eigenschaften generiert, welche für die Behandlung verschiedener Lungenerkrankungen genutzt werden können. Dabei steht besonders der effiziente und gezielte Transport von Arzneistoffen im Fokus, der zudem, aufgrund der Form, auch die Aufnahmegeschwindigkeit durch immunologisch aktive Zellen verändert. In der vorliegenden Arbeit wurde ein nanostrukturierter, zylindrischer Wirkstoffträger im mikropartikulären Größenbereich entwickelt. Dieser wurde mit einer spezifischen siRNA zur Inhibition der TNF-α Sekretion beladen, um eine anti-inflammatorische Wirkung in Makrophagen zu erzeugen. Die erhaltenen Mikropartikel wurden in einem ersten Schritt hinsichtlich ihrer Flugeigenschaften charakterisiert. Die Messergebnisse wiesen positive aerodynamische Eigenschaften auf, was eine pulmonale Applikation möglich macht. Außerdem zeigten sowohl alveolare Epithelzellen als auch Makrophagen eine gute Partikelverträglichkeit. In vitro Testungen haben weiterhin gezeigt, dass eine signifikante Inhibition von TNF-α durch das Partikelsystem und damit eine Hemmung der inflammatorischen Eigenschaften, hervorgerufen werden konnte. Die Kombination aller Ergebnisse zeigt, dass die in dieser Arbeit entwickelte Formulierung ein mögliches Trägersystem zur pulmonalen Administration darstellt.