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A polymeric microbubble platform for ultrasound-mediated drug delivery = Eine polymere Mikrobläschen Plattform für den Ultraschall vermittelten Wirkstofftransport
2018 & 2019
Dissertation, RWTH Aachen University, 2018
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-09-28
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-00138
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/752618/files/752618.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
drug delivery (frei) ; microbubbles (frei) ; polymer (frei) ; ultrasound (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540
Kurzfassung
In dieser Dissertation beschäftige ich mich mit der Synthese und Charakterisierung von Poly(butyl cyano acrylat) (PBCA) Mikrobläschen (MB), die als Ultraschall Kontrastmittel und für den Wirkstofftransport zu Tumoren oder über die Blut Hirn Schranke, in präklinischen Versuchen eingesetzt werden. Die MB wurden nach einem etablierten Protokoll in einer Ein-Stufen Synthese hergestellt, die die Polymerisation von Butylcyanoacrylat in Wasser bei einem pH-Wert von 2.5 einschließt. Die daraus resultierenden PBCA Polymerketten wurden durch hydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten, so dass sie eine runde Schale mit einem Kern aus Luft formten. Verschiede Synthese-Parameter wie Rührzeit/-geschwindigkeit, pH-Wert und Emulgator wurden variiert und ihr Einfluss auf die Eigenschaften der MB wie Größe (Verteilung), Molekulargewicht (Verteilung) der PBCA Ketten, Schalendicke und akustische Eigenschaften untersucht. Die physikochemischen Eigenschaften der MB wurden mithilfe folgender Techniken analysiert: Coulter Counter, dynamische Lichtstreuung (DLS), Gelpermeationschromatographie (GPC), Elektronen- und Fluoreszenzmikroskopie. Die Ergebnisse zeigten, dass die Rührzeit einen hohen Einfluss auf die MB Größenverteilung hatte, während der pH-Wert und der Emulgator in erster Linie die Schalendicke und das Molekulargewicht der PBCA Ketten beeinflussten. Die akustischen Eigenschaften wurden bei unterschiedlichen Ultraschall-Frequenzen analysiert und die PBCA MB zeigten im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Micromarker Lipid MB eine bessere akustische Resonanz bei 5 MHz im nicht linearen Modus. Für in vitro und in vivo Anwendungen wurden die MB, durch das Beladen der Schale mit Fluoreszenzfarbstoffen, Eisenoxidnanopartikeln und Wirkstoffen oder des Kerns mit Sauerstoff, funktionalisiert und mithilfe verschiedener spektroskopischer und mikroskopischer Methoden analysiert. Die Oberfläche der MB wurde mit Fluoreszenzfarbstoffen, PEG oder Proteinen/Peptiden modifiziert. Mehrere E-Selektin (ein Zelladhäsionsmolekül, das auf aktivierten Endothelzellen in verschiedenen Tumortypen überexprimiert ist) bindende Peptide wurden auf ihre Bindungsaffinität zu aktivierten Endothelzellen hin getestet. MB funktionalisiert mit dem Peptid, das die besten Bindungseigenschaften zeigte, wurden in einer Durchflusskammer getestet und zeigten eine bessere Bindung zu HUVEC im Vergleich zu Kontroll-MB. MB beladen mit dem vaskulär wirksamen Combretastatin A4 wurden auf ihre Sonoporationseigenschaften im Vergleich zu Standard MB in tumor-tragenden Mäusen untersucht. Ultraschall und MB behandelte Tumore wiesen eine höhere Extravasation von co-injiziertem fluoreszentem Polymer auf. All diese Ergebnisse zeigen, dass diese PBCA MB effizient als zielgerichtete Wirkstoffträger und für Ultraschall und Fotoakustik Bildgebung verwendet werden können.In this dissertation, I describe the synthesis and characterization of poly(butyl cyanoacrylate) (PBCA) microbubbles (MB), which were applied as ultrasound (US) contrast agents and drug delivery systems to tumors or across the blood brain barrier (BBB) in preclinical settings. The MB were prepared by an established protocol in one-batch synthesis, which comprised the polymerization of butyl cyanoacrylate in water at a pH of 2.5. The resulted PBCA polymer chains attached to each other due to hydrophobic interactions, thus forming a round shell, encapsulating air. Different synthesis parameters such as stirring time/speed, pH and surfactant were varied to evaluate their influence on the MB properties like size (distribution), molecular weight (distribution) of the PBCA chains, shell thickness, and acoustic properties. The physicochemical properties of MB were evaluated with various techniques: Coulter counter, dynamic light scattering (DLS), gel permeation chromatography (GPC), and electron/fluorescence microscopy. The results showed that stirring time had a high impact on MB size distribution, while pH and surfactant mainly influenced shell thickness and molecular weight of the PBCA chains. Acoustic properties were analyzed at different US frequencies and PBCA MB showed a better acoustic response at 5 MHz in the non-linear US mode compared to commercial micromarker lipid MB. For their in vitro and in vivo application, MB were functionalized by loading fluorescent dyes, iron oxide nanoparticles and drugs within the MB shell, or oxygen in the MB core and analyzed using spectroscopic and microscopic methods. The surface of the MB was modified using fluorescent dyes, PEG or peptides/proteins. Different peptides, targeting E-selectin (a cell adhesion molecule overexpressed on activated endothelial cells in several tumor types), were screened for their binding to endothelial cells. MB conjugated to the best binding peptide were tested in a flow-chamber and showed higher binding to activated HUVEC compared to control MB.MB loaded with the vascular targeting agent combretastatin A4 were tested for their sonoporation ability compared to standard MB in tumor bearing mice. For US and MB treatment, the extravasation of a co-injected fluorescently labeled polymer increased. The results show that MB can be efficiently used as targeted drug delivery system and for ultrasound and photoacoustic imaging.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019932248
Interne Identnummern
RWTH-2019-00138
Datensatz-ID: 752618
Beteiligte Länder
Germany
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