TY  - JOUR
A1  - Zahoranová, Anna
A1  - Luxenhofer, Robert
T1  - Poly(2‐oxazoline)‐ and Poly(2‐oxazine)‐Based Self‐Assemblies, Polyplexes, and Drug Nanoformulations—An Update
JF  - Advanced Healthcare Materials
N2  - For many decades, poly(2‐oxazoline)s and poly(2‐oxazine)s, two closely related families of polymers, have led the life of a rather obscure research topic with only a few research groups world‐wide working with them. This has changed in the last five to ten years, presumably triggered significantly by very promising clinical trials of the first poly(2‐oxazoline)‐based drug conjugate. The huge chemical and structural toolbox poly(2‐oxazoline)s and poly(2‐oxazine)s has been extended very significantly in the last few years, but their potential still remains largely untapped. Here, specifically, the developments in macromolecular self‐assemblies and non‐covalent drug delivery systems such as polyplexes and drug nanoformulations based on poly(2‐oxazoline)s and poly(2‐oxazine)s are reviewed. This highly dynamic field benefits particularly from the extensive synthetic toolbox poly(2‐oxazoline)s and poly(2‐oxazine)s offer and also may have the largest potential for a further development. It is expected that the research dynamics will remain high in the next few years, particularly as more about the safety and therapeutic potential of poly(2‐oxazoline)s and poly(2‐oxazine)s is learned.
KW  - block copolymers
KW  - colloids
KW  - cytotoxicity
KW  - drug delivery
KW  - micelles
KW  - microphase separation
KW  - thermogelling
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-225833
VL  - 10
IS  - 6
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yang, Mengshi
T1  - Synthesis, solubility and optical activity of chiral poly(2,4- disubstituted-2-oxazoline)s
T1  - Synthese, Löslichkeit und optische Aktivität von chiralen Poly(2,4-disubstituierten-2-oxazolin)en
N2  - Motivated by the perceived great potential of chiral polymers, the presented work aimed at the investigation of synthesis, solubility and optical activity of chiral poly(2,4-disubstituted-2-oxazoline)s. A novel polymeric carrier based on ABA-type triblock copolymers poly(2-oxazoline)s with chiral and racemic hydrophobic blocks was developed for the formulation of chiral and achiral drugs (Fig. 5.1). Poly(2-methyl-2-oxazoline) (pMeOx) was used as hydrophilic A block, and poly(2-ethyl-4-ethyl-2-oxazoline) (pEtEtOx) and poly(2-propyl-4-methyl-2-oxazoline) (pPrMeOx) were used as hydrophobic B blocks. Curcumin (CUR), paclitaxel (PTX) and chiral/racemic ibuprofen (R/S/RS-IBU) were applied as model drugs. Nanoformulations were prepared consisting of these triblock copolymers and model drugs. ...
N2  - Motiviert durch das wahrgenommene große Potential chiraler Polymere zielte die vorliegende Arbeit auf die Untersuchung der Synthese, Löslichkeit und optischen Aktivität von chiralen Poly(2,4-disubstituierten-2-oxazolin)en ab. Für die Formulierung von chiralen und achiralen Arzneimitteln wurde ein neuartiger polymerer Träger auf der Basis von ABA-Typ Triblock-Copolymeren aus Poly(2-oxazolin)en mit chiralen und racemischen hydrophoben Blocken entwickelt (Abbildung 5.1). Poly(2-methyl-2-oxazolin) (pMeOx) wurde als hydrophiler A Block und Poly(2-ethyl-4-ethyl-2-oxazolin) (pEtEtOx) und Poly(2-propyl-4-methyl-2-oxazolin) (pPrMeOx) als hydrophober B Block verwendet. Als Modellarzneimittel wurden Curcumin (CUR), Paclitaxel (PTX) und chirales/racemisches Ibuprofen (R/S/RS-IBU) eingesetzt. Es wurden Nanoformulierungen hergestellt, die aus diesen Triblock-Copolymeren und Modellarzneimitteln bestehen. ...
KW  - poly(2-oxazoline)
KW  - chiral
KW  - drug delivery
KW  - secondary structure
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322429
ER  - 
TY  - THES
A1  - Werner, Vera
T1  - Pharmaceutically relevant protein-protein interactions for controlled drug delivery
T1  - Pharmazeutisch relevante Protein-Protein-Wechselwirkung für "Controlled drug delivery"
N2  - Protein-protein interactions play a crucial role in the development of drug delivery devices for the increasingly important biologicals, including antibodies, growth factors and cytokines. The understanding thereof might offer opportunities for tailoring carriers or drug proteins specifically for this purpose and thereby allow controlled delivery to a chosen target. The possible applications range from trigger-dependent release to sustained drug delivery and possibly permanently present stimuli, depending on the anticipated mechanism.
Silk fibroin (SF) is a biomaterial that is suitable as a carrier for protein drug delivery devices. It combines processability under mild conditions, good biocompatibility and stabilizing effects on incorporated proteins.
As SF is naturally produced by spiders and silkworms, the understanding of this process and its major factors might offer a blueprint for formulation scientists, interested in working with this biopolymer. The natural process of silk spinning covers a fascinating versatility of aggregate states, ranging from colloidal solutions through hydrogels to solid systems. The transition among these states is controlled by a carefully orchestrated process in vivo. Major players within the natural process include the control of spatial pH throughout passage of the silk dope, the composition and type of ions, and fluid flow mechanics within the duct, respectively. The function of these input parameters on the spinning process is reviewed before detailing their impact on the design and manufacture of silk based drug delivery systems (DDS). Examples are reported including the control of hydrogel formation during storage or significant parameters controlling precipitation in the presence of appropriate salts, respectively. The review details the use of silk fibroin to develop liquid, semiliquid or solid DDS with a focus on the control of SF crystallization, particle formation, and drug-SF interaction for tailored drug load.
Although we were able to show many examples for SF drug delivery applications and there are many publications about the loading of biologics to SF systems, the mechanism of interaction between both in solution was not yet extensively explored. This is why we made this the subject of our work, as it might allow for direct influence on pharmaceutical parameters, like aggregation and drug load.
In order to understand the underlying mechanism for the interaction between SF and positively charged model proteins, we used isothermal titration calorimetry for thermodynamic characterization. This was supported by hydrophobicity analysis and by colloidal characterization methods including static light scattering, nanoparticle tracking analysis and zeta potential measurements. We studied the effects of three Hofmeister salts – NaCl (neutral), NaSCN (chaotropic) and Na2SO4 (cosmotropic) – and the pH on the interaction of SF with the model proteins in dependence of the ratio from one to another. The salts impacted the SF structure by stabilizing (cosmotropic) or destabilizing (chaotropic) the SF micelles, resulting in completely abolished (cosmotropic) or strongly enhanced (chaotropic) interaction. These effects were responsible for different levels of loading and coacervation when varying type of salt and its concentration. Additionally, NaCl and NaSCN were able to prolong the stability of aqueous SF solution during storage at 25°C in a preliminary study. 
Another approach to influence protein-protein interactions was followed by covalent modification. Interleukin-4 (IL-4) is a cytokine driving macrophages to M2 macrophages, which are known to provide anti-inflammatory effects. The possibility to regulate the polarization of macrophages to this state might be attractive for a variety of diseases, like atherosclerosis, in which macrophages are involved. As these cases demand a long-term treatment, this polarization was supposed to be maintained over time and we were planning to achieve this by keeping IL-4 permanently present in an immobilized way. In order to immobilize it, we genetically introduced an alkyne-carrying, artificial amino acid in the IL-4 sequence. This allowed access to a site-specific click reaction (Cu(I)-catalyzed Huisgen azide-alkyne cycloaddition) with an azide partner. This study was able to set the basis for the project by successful expression and purification of the IL-4 analogue and by proving the availability for the click reaction and maintained bioactivity. The other side of this project was the isolation of human monocytes and the polarization and characterization of human macrophages. The challenge here was that the majority of related research was based on murine macrophages which was not applicable to human cells and the successful work was so far limited to establishing the necessary methods.
In conclusion, we were able to show two different methods that allow the influence of protein-protein interactions and thereby the possible tailoring of drug loading. Although the results were very promising for both systems, their applicability in the development of drug delivery devices needs to be shown by further studies.
N2  - Die Wechselwirkungen zwischen Proteinen spielen eine entscheidende Rolle in der Entwicklung von Freigabesystemen für die immer wichtiger werdenden Protein-Therapeutika, wie Antikörper, Wachstumsfaktoren und Zytokine. Das Verständnis dieser Mechanismen würde die Möglichkeit eröffnen, sowohl die Träger, als auch die zu verabreichenden Proteine so zu verändern und zu steuern, dass sie auf kontrollierte Weise an einem bestimmten Ort freigesetzt werden. Die Anwendungen hierfür reichen von Trigger gesteuerter Freisetzung, über verzögerte Freigabe bis zur permanenten Präsentation von Stimuli, abhängig davon was für die jeweilige Applikation gewünscht ist.
Seidenfibroin (SF) ist ein Biomaterial, welches verschiedene positive Eigenschaften für die Anwendung als Trägermaterial in sich vereint, indem es unter sehr milden Bedingungen verarbeitet werden kann, gut biokompatibel ist und stabilisierend auf eingebettete Proteine wirken kann.
Da SF in der Natur von Spinnen und Seidenraupen produziert wird, könnte das Verständnis dieses Prozesses, sowie seiner wichtigsten Faktoren eine Vorlage für die Formulierung dieses Biopolymers geben. Der natürliche Prozess des Seidenspinnens vereint eine faszinierende Vielfalt von Aggregatszuständen, die von kolloidalen Lösungen über Hydrogele bis hin zu festen System reichen. Die Übergänge zwischen diesen Zuständen sind in vivo sehr sorgfältig kontrolliert. Die Hauptfaktoren dieses Prozesses sind der pH-Wert während der Passage der Spinnlösung durch die Drüse, sowie die Art und Zusammensetzung der Ionen und die herrschenden Scherkräfte. Die Funktion dieser einzelnen Faktoren auf den Spinnprozess wurde recherchiert und wird beschrieben, bevor ihr Einfluss auf die Entwicklung und Herstellung von seidenbasierten Freigabesystemen untersucht wird. Es werden Beispiele vorgestellt, die die Kontrolle der Hydrogelbildung während der Lagerung untersuchen oder signifikante Parameter für die kontrollierte Präzipitation in Gegenwart bestimmter Salze zeigen. Der Review betrachtet den Einsatz von Seidenfibroin in der Entwicklung von flüssigen, halbfesten oder festen Freigabesystemen und legt besonderen Fokus auf die Kontrolle der SF Kristallisation, Partikelbildung und Interaktion mit dem Arzneistoff für steuerbare Beladung.
Obwohl wir viele Beispiele für die Anwendung von SF in Freigabesystemen zeigen konnten und viele Publikationen die Beladung von Proteinen auf SF-Systeme behandeln, wurde der Mechanismus der Interaktion zwischen beiden bisher nicht detailliert untersucht. Es gibt wenige Studien die einige Aspekte abdecken, aber keines beschäftigte sich spezifisch mit dieser Fragestellung. Darum machen wir dies zum Gegenstand unserer Arbeit, da dies einen direkten Einfluss auf pharmazeutische Parameter, wie Aggregation und Beladung, erlauben würde.
Um den zugrundeliegenden Mechanismus der Wechselwirkung zwischen SF und einem positiv geladenen Modellprotein zu verstehen, nutzten wir isotherme Titrationskalorimetrie für eine thermodynamische Charakterisierung. Diese wurde durch kolloidale Charakterisierungsmethoden wie Statische Lichtstreuung, nanoparticle tracking analysis und Zeta-potentialmessungen, sowie Hydrophobitätsbestimmungen unterstützt. Wir untersuchten die Effekte von drei verschiedenen Hofmeister Salzen - NaCl (neutral), NaSCN (chaotrop) und Na2SO4 (kosmotrop) – und des pH Wertes auf die Interaktion von SF mit dem Modellprotein in Abhängigkeit vom Verhältnis der beiden zueinander. Die Salze beeinflussten die SF Struktur, indem sie die SF Mizellen entweder stabilisierten (kosmotrop) oder destabilisierten (chaotrop) und dadurch die Interaktion entweder vollständig unterbanden (kosmotrop) oder verstärkten (chaotrop). Diese Effekte waren verantwortlich für verschiedene Level des Loadings und der Koazervation, wenn Salzart und –konzentration variiert wurden. Außerdem waren NaCl und NaSCN in der Lage die Stabilität einer wässrigen SF-Lösung während der Lagerung bei 25°C zu verlängern.
Ein andere Ansatz um die Wechselwirkung zwischen Proteinen zu beinflussen wurde mit kovalenter Modifikation verfolgt. Interleukin-4 (IL-4) ist ein Zytokin und kann Makrophagen zu M2 Makrophagen polarisieren, welche dann anti-inflammatorische Wirkungen haben. Die Möglichkeit diese Polarisation zu regulieren wäre für verschiedene Krankheiten, wie Arteriosklerose, bei denen Makrophagen eine Rolle spielen interessant. Da in diesen Fällen eine Langzeitbehandlung von Nöten ist sollte die Polarisation über die Zeit erhalten bleiben. Wir planten dies durch die Immobilisation von IL-4 zu erreichen, die für eine permanente Präsenz sorgen würde. Um IL-4 zu immobilisieren haben wir eine künstliche Aminosäure in die Sequenz eingeführt, die eine Alkingruppe trägt. Diese ermöglicht den Zugang zu einer Kupfer vermittelten, spezifischen Click-Reaktion (Cu(I)-catalyzed Huisgen azide-alkyne cycloaddition) mit einem Azid-Partner. Diese Studie war in der Lage die Basis für dieses Projekt zu erstellen, indem wir eine erfolgreiche Expression und Aufreinigung des IL-4 Analogons leisten konnten und dieses sowohl erhaltene Bioaktivität als auch Verfügbarkeit für die Clickreaktion zeigte.
Die andere Seite dieses Projekts bestand aus der Isolation von humanen Monozyten und der Polarisation und Charakterisierung von humanen Makrophagen. Die Herausforderung hierbei lag darin dass die meiste Forschung auf diesem Gebiet an murinen Makrophagen durchgeführt wurde und dies nicht auf humane Zellen übertragbar war, und die erfolgreiche Arbeit bisher, beschränkte sich auf die Etablierung der nötigen Methoden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir in der Lage waren zwei verschiedene Methoden zur Beeinflussung der Protein-Protein Wechselwirkungen und damit der Beladung zu zeigen. Obwohl die Ergebnisse für beide Systeme vielversprechend waren muss ihre Anwendbarkeit in der Entwicklung von Freigabesystemen noch durch weitere Studien belegt werden.
KW  - Protein-Protein-Wechselwirkung
KW  - Makrophage
KW  - Seide
KW  - silk fibroin
KW  - drug delivery
KW  - click chemistry
KW  - interleukin-4
KW  - thermodynamics
KW  - Wirkstofffreisetzung
KW  - Interleukin 4
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-117409
ER  - 
TY  - THES
A1  - Steiger, Christoph
T1  - Drug delivery of therapeutic gases – strategies for controlled and local delivery of carbon monoxide
T1  - Zielgerichtete Freisetzung von therapeutischen Gasen - Strategien zur kontrollierten und lokalen Freisetzung von Kohlenstoffmonoxid
N2  - The isoenzyme heme oxygenase 1 (HO-1) is a key element for maintaining cellular homeostasis. Upregulated in response to cellular stress, the HO-1 degrades heme into carbon monoxide (CO), biliverdin, and Fe2+. By means of a local cell-protective feedback loop the enzyme triggers numerous effects including anti-oxidative, anti-apoptotic, and anti-inflammatory events associated with complex signalling patterns which are largely orchestrated by CO. Various approaches to mimic this physiological HO-1 / CO system aiming for a treatment of medical conditions have been described [1]. These preclinical studies commonly applied CO systemically via (i) inhalation or (ii) using CO-Releasing Molecules (CORMs) [2]. The clinical use of these approaches, however, is challenged by a lack of practicability and substantial safety issues associated with the toxicity of high systemic doses of CO that are required for triggering therapeutic effects. Therefore, one rational of this thesis is to describe and evaluate strategies for the local delivery of CO aiming for safe and effective CO therapeutics of tomorrow.
N2  - Das Isoenzym Hämoxygenase 1 (HO-1) ist ein zentraler Bestandteil in der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase. Es wird durch zellulären Stress induziert und baut daraufhin Häm zu Kohlenstoffmonoxid (CO), Biliverdin und Fe2+ ab. Im Sinne eines lokalen Rückkopplungsmechanismus stößt es damit eine Vielzahl physiologischer Mechanismen mit anti-oxidativen, anti-apoptotischen und anti-inflammatorischen Effekten an, welche zumeist durch CO reguliert und durch ein komplexes Netzwerk aus Signaltransduktionsprozessen vermittelt werden. Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, diesen als HO-1 / CO System bezeichneten Mechanismus nachzuahmen, um dadurch eine Behandlung von verschiedenen Krankheitszuständen zu ermöglichen. In diesen präklinischen Studien wurde CO regelmäßig systemisch (i) per Inhalation oder (ii) in Form von CO freisetzenden Verbindungen (CO-Releasing Molecules - CORM) verabreicht . Die klinische Anwendung dieser Strategien ist jedoch durch Sicherheitsrisiken erheblich erschwert, insbesondere durch die Toxizität der notwendigen hohen systemischen Dosen von CO. Entsprechend beschäftigt sich diese Dissertation unter anderem mit der Beschreibung und Evaluation von Strategien zur lokalen Verabreichung von CO, mit dem Ziel sichere und effektive Konzepte zu dessen Anwendung zu entwickeln.
KW  - Targeted drug delivery
KW  - drug delivery
KW  - therapeutic gases
KW  - Kohlenmonoxid
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-141054
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Shityakov, Sergey
A1  - Broscheit, Jens
A1  - Förster, Carola
T1  - Multidrug resistance protein P-gp interaction with nanoparticles (fullerenes and carbon nanotube) to assess their drug delivery potential: a theoretical molecular docking study.
JF  - International journal of computational biology and drug design
N2  - P-glycoprotein (P-gp)-mediated efflux system plays an important role to maintain chemical balance in mammalian cells for endogenous and exogenous chemical compounds. However, despite the extensive characterisation of P-gp potential interaction with drug-like molecules, the interaction of carbon nanoparticles with this type of protein molecule is poorly understood. Thus, carbon nanoparticles were analysed, such as buckminsterfullerenes (C20, C60, C70), capped armchair single-walled carbon nanotube (SWCNT or C168), and P-gp interactions using different molecular docking techniques, such as gradient optimisation algorithm (ADVina), Lamarckian genetic algorithm (FastDock), and shape-based approach (PatchDock) to estimate the binding affinities between these structures. The theoretical results represented in this work show that fullerenes might be P-gp binders because of low levels of Gibbs free energy of binding (ΔG) and potential of mean force (PMF) values. Furthermore, the SWCNT binding is energetically unfavourable, leading to a total decrease in binding affinity by elevation of the residual area (Ares), which also affects the π-π stacking mechanisms. Further, the obtained data could potentially call experimental studies using carbon nanostructures, such as SWCNT for development of drug delivery vehicles, to administer and assess drug-like chemical compounds to the target cells since organisms probably did not develop molecular sensing elements to detect these types of carbon molecules.
KW  - SWCNT CNTs
KW  - pi-pi stacking
KW  - mean force potential
KW  - Gibbs free energy of binding
KW  - molecular docking
KW  - shape-based approach
KW  - Lamarckian genetic algorithms
KW  - gradient optimisation
KW  - drug delivery
KW  - multidrug resistance
KW  - P-glycoprotein
KW  - carbon nanoparticles
KW  - fullerenes
KW  - single-walled carbon nanotubes
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-132089
VL  - 6
IS  - 4
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schulz, Anita
A1  - Jaksch, Sebastian
A1  - Schubel, Rene
A1  - Wegener, Erik
A1  - Di, Zhenyu
A1  - Han, Yingchao
A1  - Meister, Annette
A1  - Kressler, Jörg
A1  - Kabanov, Alexander V.
A1  - Luxenhofer, Robert
A1  - Papadakis, Christine M.
A1  - Jordan, Rainer
T1  - Drug-Induced Morphology Switch in Drug Delivery Systems Based on Poly(2-oxazoline)s
JF  - ACS Nano
N2  - Defined aggregates of polymers such as polymeric micelles are of great importance in the development of pharmaceutical formulations. The amount of drug that can be formulated by a drug delivery system is an important issue, and most drug delivery systems suffer from their relatively low drug-loading capacity. However, as the loading capacities increase, i.e., promoted by good drug–polymer interactions, the drug may affect the morphology and stability of the micellar system. We investigated this effect in a prominent system with very high capacity for hydrophobic drugs and found extraordinary stability as well as a profound morphology change upon incorporation of paclitaxel into micelles of amphiphilic ABA poly(2-oxazoline) triblock copolymers. The hydrophilic blocks A comprised poly(2-methyl-2-oxazoline), while the middle blocks B were either just barely hydrophobic poly(2-n-butyl-2-oxazoline) or highly hydrophobic poly(2-n-nonyl-2-oxazoline). The aggregation behavior of both polymers and their formulations with varying paclitaxel contents were investigated by means of dynamic light scattering, atomic force microscopy, (cryogenic) transmission electron microscopy, and small-angle neutron scattering. While without drug, wormlike micelles were present, after incorporation of small amounts of drugs only spherical morphologies remained. Furthermore, the much more hydrophobic poly(2-n-nonyl-2-oxazoline)-containing triblock copolymer exhibited only half the capacity for paclitaxel than the poly(2-n-butyl-2-oxazoline)-containing copolymer along with a lower stability. In the latter, contents of paclitaxel of 8 wt % or higher resulted in a raspberry-like micellar core.
KW  - amphiphilic poly(2-oxazoline)s
KW  - paclitaxel
KW  - drug delivery
KW  - rod-to-sphere transition
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-120766
N1  - This is an open access article published under an ACS AuthorChoice License (http://pubs.acs.org/page/policy/authorchoice_termsofuse.html), which permits copying and redistribution of the article or any adaptations for non-commercial purposes.
VL  - 8
IS  - 3
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Lübtow, Michael  M.
A1  - Marciniak, Henning
A1  - Schmiedel, Alexander
A1  - Roos, Markus
A1  - Lambert, Christoph
A1  - Luxenhofer, Robert
T1  - Ultra-high to ultra-low drug loaded micelles: Probing host-guest interactions by fluorescence spectroscopy
JF  - Chemistry - A European Journal
N2  - Polymer micelles are an attractive means to solubilize water insoluble compounds such as drugs. Drug loading, formulations stability and control over drug release are crucial factors for drug‐loaded polymer micelles. The interactions between the polymeric host and the guest molecules are considered critical to control these factors but typically barely understood. Here, we compare two isomeric polymer micelles, one of which enables ultra‐high curcumin loading exceeding 50 wt.%, while the other allows a drug loading of only 25 wt.%. In the low capacity micelles, steady‐state fluorescence revealed a very unusual feature of curcumin fluorescence, a high energy emission at 510 nm. Time‐resolved fluorescence upconversion showed that the fluorescence life time of the corresponding species is too short in the high‐capacity micelles, preventing an observable emission in steady‐state. Therefore, contrary to common perception, stronger interactions between host and guest can be detrimental to the drug loading in polymer micelles.
KW  - curcumin
KW  - drug delivery
KW  - fluorenscence
KW  - poly(2-oxazine)
KW  - pol(2-oxazoline)
KW  - Polymer-drug interaction
KW  - upconversion
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-206128
VL  - 25
IS  - 54
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kreß, Sebastian
T1  - Development and proof of concept of a biological vascularized cell‐based drug delivery system
T1  - Entwicklung und Proof of Concept eines biologischen, vaskularisierten, zellbasierten Drug‐Delivery‐Systems
N2  - A major therapeutic challenge is the increasing incidence of chronic disorders.
The persistent impairment or loss of tissue function requires constitutive on‐demand
drug availability optimally achieved by a drug delivery system ideally directly connected
to the blood circulation of the patient. However, despite the efforts and achievements in
cell‐based therapies and the generation of complex and customized cell‐specific
microenvironments, the generation of functional tissue is still unaccomplished.
This study demonstrates the capability to generate a vascularized platform technology to
potentially overcome the supply restraints for graft development and clinical application
with immediate anastomosis to the blood circulation.
The ability to decellularize segments of the rat intestine while preserving the ECM for
subsequent reendothelialization was proven. The reestablishment of a functional
arteriovenous perfusion circuit enabled the supply of co‐cultured cells capable to replace
the function of damaged tissue or to serve as a drug delivery system. During in vitro
studies, the applicability of the developed miniaturized biological vascularized scaffold
(mBioVaSc‐TERM®) was demonstrated. While indicating promising results in short term
in vivo studies, long term implantations revealed current limitations for the translation
into clinical application. The gained insights will impact further improvements of quality
and performance of this promising platform technology for future regenerative therapies.
N2  - Eine kontinuierlich steigende Inzidenz chronischer Krankheiten stellt eine immer größer
werdende therapeutische Herausforderung dar. Der anhaltende Funktionsverlust von
Geweben erfordert die bedarfsgerechte Verfügbarkeit von Wirkstoffen, deren
kontinuierliche Bereitstellung und Verteilung über die Blutzirkulation von
implantierbaren Pharmakotherapie‐Produkten gelöst werden kann. Trotz der
Fortschritte und Erfolge mit Zelltherapien sowie der Nachbildung der Zell‐eigenen
Nischen konnten bisher noch keine funktionellen Gewebe für die medizinische
Anwendbarkeit hergestellt werden.
Diese Studie zeigt die Möglichkeit zur Herstellung einer vaskularisierten Plattform‐
Technologie um die Beschränkung der Nährstoff‐Versorgung zu überwinden für die
Entwicklung von Transplantaten für die klinische Anwendung und deren sofortige
Anastomose an die Blutzirkulation.
Die Möglichkeit Rattendarmsegmente zu dezellularisieren, die Extrazellulärmatrix und
das interne Gefäßsystem dabei jedoch zu erhalten um diese Strukturen
wiederzubesiedeln wurde bewiesen. Das Wiederherstellen des funktionellen
arteriovenösen Perfusionskreislaufs ermöglichte die Versorgung von Ko‐kultivierten
Zellen um damit funktionalen Gewebeersatz bzw. ‐modelle aufzubauen oder als Medizin‐
Produkt Einsatz zu finden. In vitro‐Studien zeigten eindrucksvoll Reife und
Anwendbarkeit des hier entwickelten miniaturisierten, biologischen, vaskularisierten
Scaffold (mBioVaSc‐TERM®). Während in in vivo‐Studien zunächst vielversprechende
Ergebnisse erzielt wurden, zeigten Langzeit Implantationen die aktuellen Grenzen zur
Translation in die klinische Anwendung. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dazu
dienen Qualität und Funktionalität dieser vielversprechenden Plattform‐Technologie zu
verbessern um zukünftige regenerative Therapien zu ermöglichen.
KW  - Vaskularisation
KW  - Dezellularisierung
KW  - Tissue Engineering
KW  - Therapeutisches System
KW  - Implantat
KW  - Vascularized
KW  - drug delivery
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-178650
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hütten, Mareike
A1  - Dhanasingh, Anandhan
A1  - Hessler, Roland
A1  - Stöver, Timo
A1  - Esser, Karl-Heinz
A1  - Möller, Martin
A1  - Lenarz, Thomas
A1  - Jolly, Claude
A1  - Groll, Jürgen
A1  - Scheper, Verena
T1  - In Vitro and In Vivo Evaluation of a Hydrogel Reservoir as a Continuous Drug Delivery System for Inner Ear Treatment
JF  - PLoS ONE
N2  - Fibrous tissue growth and loss of residual hearing after cochlear implantation can be reduced by application of the glucocorticoid dexamethasone-21-phosphate-disodium-salt (DEX). To date, sustained delivery of this agent to the cochlea using a number of pharmaceutical technologies has not been entirely successful. In this study we examine a novel way of continuous local drug application into the inner ear using a refillable hydrogel functionalized silicone reservoir. A PEG-based hydrogel made of reactive NCO-sP(EO-stat-PO) prepolymers was evaluated as a drug conveying and delivery system in vitro and in vivo. Encapsulating the free form hydrogel into a silicone tube with a small opening for the drug diffusion resulted in delayed drug release but unaffected diffusion of DEX through the gel compared to the free form hydrogel. Additionally, controlled DEX release over several weeks could be demonstrated using the hydrogel filled reservoir. Using a guinea-pig cochlear trauma model the reservoir delivery of DEX significantly protected residual hearing and reduced fibrosis. As well as being used as a device in its own right or in combination with cochlear implants, the hydrogel-filled reservoir represents a new drug delivery system that feasibly could be replenished with therapeutic agents to provide sustained treatment of the inner ear.
KW  - gels
KW  - cochlea
KW  - silicones
KW  - deafness
KW  - inner ear
KW  - drug delivery
KW  - inflammation
KW  - connective tissue
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119375
VL  - 9
IS  - 8
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hoyer, Jan
A1  - Schatzschneider, Ulrich
A1  - Schulz-Siegmund, Michaela
A1  - Neundorf, Ines
T1  - Dimerization of a cell-penetrating peptide leads to enhanced cellular uptake and drug delivery
JF  - Beilstein Journal of Organic Chemistry
N2  - Over the past 20 years, cell-penetrating peptides (CPPs) have gained tremendous interest due to their ability to deliver a variety of therapeutically active molecules that would otherwise be unable to cross the cellular membrane due to their size or hydrophilicity. Recently, we reported on the identification of a novel CPP, sC18, which is derived from the C-terminus of the 18 kDa cationic antimicrobial protein. Furthermore, we demonstrated successful application of sC18 for the delivery of functionalized cyclopentadienyl manganese tricarbonyl (cymantrene) complexes to tumor cell lines, inducing high cellular toxicity. In order to increase the potential of the organometallic complexes to kill tumor cells, we were looking for a way to enhance cellular uptake. Therefore, we designed a branched dimeric variant of sC18, (sC18)\(_2\), which was shown to have a dramatically improved capacity to internalize into various cell lines, even primary cells, using flow cytometry and fluorescence microscopy. Cell viability assays indicated increased cytotoxicity of the dimer presumably caused by membrane leakage; however, this effect turned out to be dependent on the specific cell type. Finally, we could show that conjugation of a functionalized cymantrene with (sC18)\(_2\) leads to significant reduction of its IC\(_{50}\) value in tumor cells compared to the respective sC18 conjugate, proving that dimerization is a useful method to increase the drug-delivery potential of a cell-penetrating peptide.
KW  - peptides
KW  - internalization studies
KW  - drug delivery
KW  - cell-penetrating peptides
KW  - anti-tumor agents
KW  - organometallic complexes
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-133933
VL  - 8
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hanio, Simon
T1  - The impact of bile on intestinal permeability of drug substances
T1  - Der Einfluss der Galle auf die intestinale Permeabilität von Arzneimittelwirkstoffen
N2  - Most medicines are taken orally. To enter the systemic circulation, they dissolve in the intestinal fluid, cross the epithelial barrier, and pass through the liver. Intestinal absorption is driven by the unique features of the gastrointestinal tract, including the bile colloids formed in the lumen and the mucus layer covering the intestinal epithelium. Neglecting this multifaceted environment can lead to poor drug development decisions, especially for poorly water-soluble drugs that interact with bile and mucus. However, there is a lack of a rationale nexus of molecular interactions between oral medicines and gastrointestinal components with drug bioavailability. Against this background, this thesis aims to develop biopharmaceutical strategies to optimize the presentation of oral therapeutics to the intestinal epithelial barrier.
In Chapter 1, the dynamics of bile colloids upon solubilization of the poorly-water soluble drug Perphenazine was studied. Perphenazine impacted molecular arrangement, structure, binding thermodynamics, and induced a morphological transition from vesicles to worm-like micelles. Despite these dynamics, the bile colloids ensured stable relative amounts of free drug substance. The chapter was published in Langmuir.
Chapter 2 examined the impact of pharmaceutical polymeric excipients on bile-mediated drug solubilization. Perphenazine and Imatinib were introduced as model compounds interacting with bile, whereas Metoprolol did not. Some polymers altered the arrangement and geometry of bile colloids, thereby affecting the molecularly soluble amount of those drugs interacting with bile. These insights into the bile-drug-excipient interplay provide a blueprint to optimizing formulations leveraging bile solubilization. The chapter was published in Journal of Controlled Release.
Chapter 3 deals with the impact of bile on porcine intestinal mucus. Mucus exposed to bile solution changed transiently, it stiffened, and the overall diffusion rate increased. The bile-induced changes eased the transport of the bile-interacting drug substance Fluphenazine, whereas Metoprolol was unaffected. This dichotomous pattern was linked to bioavailability in rats and generalized based on two previously published data sets. The outcomes point to a bile-mucus interaction relevant to drug delivery. The chapter is submitted.
The Appendix provides a guide for biopharmaceutical characterization of drug substances by nuclear magnetic resonance spectroscopy aiming at establishing a predictive algorithm. 
In summary, this thesis deciphers bile-driven mechanisms shaping intestinal drug absorption. Based on these molecular insights, pharmaceuticals can be developed along a biopharmaceutical optimization, ultimately leading to better oral drugs of tomorrow.
N2  - Die meisten Arzneimittel werden oral eingenommen. Um in den Blutkreislauf zu gelangen, liegen sie in der Darmflüssigkeit gelöst vor, überwinden die Epithelbarriere und passieren die Leber. Die intestinale Absorption wird durch die einzigartigen Eigenschaften des Magen-Darm-Trakts, einschließlich der im Lumen gebildeten Gallenkolloide und der Schleimschicht, die das Darmepithel bedeckt, bestimmt. Die Vernachlässigung dieser facettenreichen Umgebung kann zu schlechten Entscheidungen bei der Arzneimittelentwicklung führen, insbesondere bei schlecht wasserlöslich Wirkstoffen, die mit Galle und Schleim interagieren. Es fehlt jedoch eine rationale Verknüpfung der molekularen Wechselwirkungen zwischen oralen Arzneimitteln und gastrointestinalen Komponenten mit der Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, biopharmazeutische Strategien zur Optimierung der Präsentation von oralen Therapeutika an der intestinalen Epithelbarriere zu entwickeln.
In Kapitel 1 wurde die Dynamik von Gallenkolloiden bei der Solubilisierung des schwer wasserlöslichen Wirkstoffes Perphenazin untersucht. Perphenazin beeinflusste die molekulare Anordnung, die Struktur sowie die Bindungsthermodynamik und führte zu einem morphologischen Übergang von Vesikeln hin zu wurmartigen Mizellen. Trotz dieser Dynamik sorgten die Gallenkolloide für stabile relative Mengen an freiem Arzneistoff. Dieses Kapitel wurde in Langmuir veröffentlicht. 
In Kapitel 2 wurde der Einfluss von pharmazeutischen polymeren Hilfsstoffen auf die Solubilisierung von Wirkstoffen durch Galle untersucht. Perphenazin und Imatinib wurden als Modellverbindungen eingeführt, die mit der Galle interagieren, während Metoprolol dies nicht tat. Einige Polymere veränderten die Anordnung und Geometrie der Gallenkolloide und beeinflussten somit die molekular lösliche Menge von solchen Wirkstoffen, die mit der Galle wechselwirken. Diese Einblicke in das Zusammenspiel von Galle und Arzneistoffen bieten einen Ansatz zur Optimierung von Formulierungen, die die Solubilisierung in der Galle nutzen. Dieses Kapitel wurde in Journal of Controlled Release veröffentlicht.
Kapitel 3 befasst sich mit den Auswirkungen von Galle auf den Dünndarmschleim von Schweinen. Schleim, der Gallenlösung ausgesetzt war, veränderte sich vorübergehend, versteifte sich und die Gesamtdiffusionsrate nahm zu. Die durch die Galle hervorgerufenen Veränderungen erleichterten den Transport des mit der Galle interagierenden Wirkstoffs Fluphenazin, während Metoprolol unbeeinflusst blieb. Dieses dichotome Muster konnte mit der Bioverfügbarkeit bei Ratten verknüpft werden und durch zwei zuvor veröffentlichte Datensätze mit insgesamt 50 Verbindungen verallgemeinert werden. Die Ergebnisse deuten auf eine Wechselwirkung zwischen Galle und Schleim hin, die für die Verabreichung von Medikamenten relevant ist. Dieses Kapitel ist eingereicht.
Der Anhang bietet einen Leitfaden für die biopharmazeutische Charakterisierung von Arzneimittelsubstanzen durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie mit dem Ziel des Aufstellens von prädiktiven Algorithmen. 
Zusammenfassend entschlüsselt diese Arbeit die von der Galle gesteuerten Mechanismen, die die Aufnahme von Arzneimitteln im Darm beeinflussen. Auf der Grundlage dieser molekularen Erkenntnisse können Arzneimittel entlang einer biopharmazeutischen Optimierung entwickelt werden, was letztendlich zu besseren oralen Arzneimitteln führt.
KW  - Solubilisation
KW  - Galle <Sekret>
KW  - Bioverfügbarkeit
KW  - Pharmazeutischer Hilfsstoff
KW  - drug delivery
KW  - absorption
KW  - intestinal permeability
KW  - poor water-soluble drugs
KW  - intestinal mucus
KW  - pig
KW  - drug formulation
KW  - molecular biopharmaceutics
KW  - mucin
KW  - Schleim
KW  - Bile
KW  - Mucus
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-348906
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grebinyk, Anna
T1  - Synergistic Chemo- and Photodynamic Treatment of Cancer Cells with C\(_{60}\) Fullerene Nanocomplexes
T1  - Synergistische chemo- und photodynamische Behandlung von Krebszellen mit C\(_{60}\)-Fulleren-Nanokomplexen
N2  - Recent progress in nanotechnology has attracted interest to a biomedical application of the carbon nanoparticle C60 fullerene (C60) due to its unique structure and versatile biological activity. In the current study the dual functionality of C60 as a photosensitizer and a drug nanocarrier was exploited to improve the efficiency of chemotherapeutic drugs towards human leukemic cells.
Pristine C60 demonstrated time-dependent accumulation with predominant mitochondrial localization in leukemic cells. C60’s effects on leukemic cells irradiated with high power single chip LEDs of different wavelengths were assessed to find out the most effective photoexcitation conditions. A C60-based noncovalent nanosized system as a carrier for an optimized drug delivery to the cells was evaluated in accordance to its physicochemical properties and toxic effects. Finally, nanomolar amounts of C60-drug nanocomplexes in 1:1 and 2:1 molar ratios were explored to improve the efficiency of cell treatment, complementing it with photodynamic approach.
A proposed treatment strategy was developed for C60 nanocomplexes with the common chemotherapeutic drug Doxorubicin, whose intracellular accumulation and localization, cytotoxicity and mechanism of action were investigated. The developed strategy was revealed to be transferable to an alternative potent anticancer drug – the herbal alkaloid Berberine. 
Hereafter, a strong synergy of treatments arising from the combination of C60-mediated drug delivery and C60 photoexcitation was revealed. Presented data indicate that a combination of chemo- and photodynamic treatments with C60-drug nanoformulations could provide a promising synergetic approach for cancer treatment.
N2  - Kürzliche Fortschritte in der Nanotechnologie haben Interesse an einer biomedizinischen Anwendung des Kohlenstoffnanopartikels C60 Fulleren (C60) aufgrund seiner einzigartigen Struktur und breiten biologischen Aktivität geweckt. In der aktuellen Studie wurde die doppelte Funktionalität von C60 als Photosensibilisator und als Wirkstoff-Nanoträger genutzt, um die Wirkung von Chemotherapeutika auf menschliche Leukämiezellen zu verbessern.
C60 alleine zeigte in den Zellen eine zeitabhängige Akkumulation mit vorherrschender mitochondrialer Lokalisation. Die Wirkung von C60 auf Leukämiezellen, die mit unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt wurden, wurde bewertet, um die effektivsten Photoanregungsbedingungen zu finden. Die physikochemischen Eigenschaften und toxischen Wirkungen von C60 auf die Leukämiezellen wurden nach nicht kovalenter Bindung von Arzneistoffen bewertet. Schließlich wurden nanomolare Mengen von C60-Wirkstoff-Nanokomplexen in Molverhältnissen von 1:1 und 2:1 untersucht, um die Effizienz der Behandlung von Zellen zu verbessern und sie durch photodynamischen Ansatz zu ergänzen.
Mit dem gängigen Chemotherapeutikum Doxorubicin wurde eine Behandlungsstrategie entwickelt und dessen intrazelluläre Akkumulation und Lokalisation, Zytotoxizität und Wirkmechanismus untersucht wurden. Es wurde gezeigt, dass die entwickelte Strategie auch auf ein alternatives Krebsmedikament übertragbar ist – das pflanzliche Alkaloid Berberin.
Die erhaltenen Daten deuten darauf hin, dass eine Kombination von chemo- und photodynamischen Behandlungen mit C60-Nanokomplexen einen vielversprechenden synergetischen Ansatz für die Krebsbehandlung bieten könnte.
KW  - cancer
KW  - drug delivery
KW  - photodynamic therapy
KW  - fullerene
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-222075
ER  -