Nanoparticle interactions with mucosal barriers

Abstract

Human pulmonary mucus represents a tenacious barrier for pulmonary drug administration. The design of an efficient inhalation therapy demands a detailed understanding of the mucus layer and well characterized mucus models for the investigation of the behavior of therapeutics in mucus. The developed strategies used to circumvent the mucus barrier should be evaluated in terms of efficacy and safety. The application of various microscopy techniques provided new insights revealing a non-porous, heterogenous and composite structure of mucus. Calu-3 in vitro mucus was characterized regarding mucins as macromolecules, small metabolites, biophysical properties and compared to human pulmonary ex vivo mucus providing valuable input in terms of the interpretation of data obtained using these models. Calu-3 in vitro mucus was employed for the investigation of the impact of mucus modulation, as a mucus penetration enhancing strategy on the protective function of mucus. Cytotoxicity assessment of the impact of probing model particles revealed that modulation led to a reduced protective function of mucus emphasizing the importance of safety assessment of therapy protocols involving mucus modulation.

Der menschliche pulmonale Mukus stellt eine Barriere für die Verabreichung von Medikamenten in die Lunge dar. Die Entwicklung einer effizienten Inhalationstherapie erfordert ein detailliertes Verständnis der Mukusschicht und gut charakterisierte Mukusmodelle zur Untersuchung des Verhaltens von Therapeutika im Mukus. Die entwickelten Strategien zur Umgehung der Mukusbarriere sollten im Hinblick auf ihre Wirksamkeit und Sicherheit bewertet werden. Die Mukus-Struktur wurde mittels verschiedener Mikroskopietechniken untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine nicht poröse, heterogene Komposit-Struktur des Mukus. Calu-3 in vitro Mukus wurde in Bezug auf Muzine als Makromoleküle, kleine Metabolite und biophysikalische Eigenschaften charakterisiert und mit menschlichem pulmonalem ex vivo Mukus verglichen. Diese Untersuchung lieferte wertvolle Erkenntnisse für die Interpretation der mit diesen Modellen gewonnenen Daten. Calu-3 in vitro Mukus wurde verwendet, um den Einfluss der Mukusmodulation als Strategie zur Verbesserung der Mukuspenetration auf die Schutzfunktion des Mukus zu untersuchen. Die Zytotoxizitätsanalyse der Auswirkung von Modellpartikeln ergab, dass die Modulation zu einer verringerten Schutzfunktion des Mukus führte. Diese Ergebnisse betonen die Bedeutung von Sicherheitsuntersuchungen bei der Entwicklung der Therapieprotokolle, die eine Modulation des Mukus umfassen.