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Exploring the interaction of lipid nanoparticles and tattoo pigments with macrophages

Lin, Cheng^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Cheng Lin

ImpressumAachen 2025

Umfang39, 19 Seiten : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Bartneck, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Röth, Anjali (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-23

Einrichtungen

1. Klinik und Lehrstuhl für Innere Medizin (mit dem Schwerpunkt Gastroenterologie, Hepatologie und Stoffwechselkrankheiten) (531030-2 ; 932710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
lipid nanoparticles (frei) ; macrophages (frei) ; tatto ink (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Makrophagen sind essentielle Zellen des angeborenen Immunsystems, bekannt für ihre potente Phagozytose und Antigenpräsentation. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Abwehr von Krankheitserregern, der Gewebsereparatur, der Regulierung von Entzündungen und der metabolischen Homöostase. Makrophagen spielen ebenfalls eine Rolle bei der Aufnahme und Verbleib von Tattootinte in der Haut und ein geeignetes 3D-Modell für menschliche Haut würde Einblicke in die Mechanismen und der zellulären Verteilung von Tattootinte bieten. Das Verständnis der Funktion von Makrophagen und deren gezielte Aktivierung durch hierfür geeignete Substanzen kann entscheidende Fortschritte in der Behandlung von Entzündungserkrankungen und Krebs ermöglichen. Lipid Nanopartikel (LNPs) sind nanoskalierte, lipidbasierte Trägersysteme, die zur Verabreichung therapeutischer Wirkstoffe, insbesondere von Nukleinsäuren wie mRNA, DNA und siRNA, verwendet werden. LNPs haben in der Arzneimittelverabreichung, insbesondere bei mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffen, an Bedeutung gewonnen. Neueste Forschungen zeigen, dass LNPs nach intravenöser Injektion überwiegend in der Leber akkumulieren, was therapeutisches Potenzial für Lebererkrankungen bietet. Allerdings begrenzt die schnelle hepatische Clearance von LNPs deren Wirksamkeit. Um dies zu adressieren, wurde nicht-invasive hybride Fluoreszenz-Molekulartomographie (CT-FMT) in vivo Bildgebung von C57BL6/J Wildtyp-Mäusen als Kontrolle, Low-density Lipoproteinrezeptor (Ldlr)−/−, mit Mäusen, die mit dem small molecule-basierten Leukotrien-B4-Rezeptor-Inhibitor (BLT1i) oder mit einem Inhibitor des High-density lipoprotein receptors (HDLRi) vorbehandelt und dann alle mit siRNA-LNP behandelt wurden. Die Bildgebungsstudie zeigte, dass der BLT1i die hepatische Aufnahme von siRNA-LNPs erhöhte, während der HDLRi die Leberaufnahme reduzierte und siRNA auf Immunzellen in der Milz und im Blut umleitete. Dies hebt das Potenzial des HDLRi für extrahepatische und immunzell-gerichtete siRNA-Abgabe hervor. In Kooperation mit der Hautklinik - Dermatologie und Venerologie des Uniklinikums Aachen wurde ein 3D-Hautmodell bestehend aus Keratinozyten, Fibroblasten und Makrophagen entwickelt, um die zelluläre Verteilung von Tattootinte in Hautzellen zu untersuchen. Zusätzlich wurden die Aufnahme von Tattootinte durch menschliche Immunzellen untersucht. Humane primäre Makrophagen waren am effektivsten in der Internalisierung von Tinte in 3D-Hautmodellen. Makrophagenkulturen zeigten, dass die Tinte keine erhöhten Entzündungsmediatoren induzierte und keine Anzeichen von Toxizität zeigte, selbst nicht nach neun Tagen. Bemerkenswerterweise zeigten jedoch Monozyten die höchste Aufnahme von Tinte aller Blutzellen, aber auch auch eine verringerte Viabilität. Interessanterweise zeigten Granulozyten und Lymphozyten nur eine vorübergehende Tintenaufnahme, angezeigt durch reduzierte Signale in der Durchflusszytometrie nach 24 Stunden. Mechanistische Studien zeigten, dass Kortikosteroide und Dexpanthenol die Tintenexkretion aus Makrophagen nicht förderten, sondern sogar die Tintenretention leicht erhöhten. Die hochmobilen Monozyten, Vorläufer der Makrophagen, könnten eine unterschätzte Rolle bei der Translokation von Tattoo-Tinte aus dermalen Blutgefäßen in innere Organe spielen.

Macrophages are essential cells in the innate immune system, known for their potent phagocytosis and antigen presentation. They play a key role in pathogen defense, tissue repair, inflammation regulation, and metabolic homeostasis. Macrophages also play a role for the uptake and persistence of tattoo ink in the skin, and a suitable 3D model for human skin would provide insights into the mechanisms underlying the cellular distribution of tattoo ink. Understanding macrophage function and reprogramming them using appropriate substances is crucial for advancing treatment of inflammatory diseases and cancer. Lipid nanoparticles (LNPs) are nano-scaled carriers that enable delivery of therapeutic nucleic acids like mRNA, siRNA, and plasmid-DNA. LNPs have gained prominence in drug delivery, especially in mRNA-based COVID-19 vaccines. Recent research shows LNPs predominantly accumulate in the liver following intravenous injection, offering therapeutic potential for liver diseases. However, the rapid hepatic clearance of LNPs limits their efficacy. To address this, noninvasive hybrid microcomputed fluorescence molecular tomography (CT-FLT) and flow cytometry were conducted with C57BL6/J wild-type control mice, Low-density lipoprotein receptor (Ldlr)−/− mice, treated with leukotriene B4 receptor inhibitor (BLT1i) or small molecule-based High-density lipoprotein receptor inhibitor (HDLRi) and which were then all treated with siRNA-LNPs. The imaging study indicated that BLT1i enhanced hepatic uptake of siRNA-LNPs, while the HDLRi reduced liver uptake and redirected siRNA to immune cells in the spleen and blood as shown by flow cytometry. This underscores the potential of HDLRi for extrahepatic and immune-targeted siRNA delivery. In collaboration with the Clinic for Dermatology and Allergology of the university hospital Aachen, a 3D skin model consisting of keratinocytes, fibroblasts, and macrophages was developed to study the cellular distribution of tattoo ink in skin cells. In addition, we studied the effects of tattoo ink on human primary leukocytes. We found that human macrophages were most effective in internalizing ink in full-thickness 3D skin models. Macrophage cultures showed that the ink did not induce elevated inflammatory mediators and showed no signs of toxicity, even after nine days. Notably, monocytes were most efficient in tattoo ink uptake of all blood cells, but also exhibited reduced viability upon incubation with tattoo ink. Interestingly, granulocytes and lymphocytes demonstrated only temporary ink uptake, with flow cytometric signals declining after 24 hours. Mechanistic studies showed that corticosteroids and dexpanthenol did not promote ink excretion from macrophages, but even slightly increased ink retention. The highly motile monocytes, precursors of macrophages, may play an underrated role in the translocation of tattoo ink from dermal blood vessels into internal organs.

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
print

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT031165262

Interne Identnummern
RWTH-2025-04992
Datensatz-ID: 1012439

Beteiligte Länder
Germany