Marika Kutscher

• Nosocomial pneumonia is mostly caused by methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). However, the standard antibiotic therapy is affected by increasing emergence of bacterial resistance. Therefore, novel therapeutic options are in high demand. New antimicrobial agents alone cannot handle the problem of increasing bacterial resistance but innovative drug delivery strategies and fast identification of infection causing pathogens are required to diminish bacterial resistance development. A very promising approach to improve the therapy ofNosocomial pneumonia is mostly caused by methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). However, the standard antibiotic therapy is affected by increasing emergence of bacterial resistance. Therefore, novel therapeutic options are in high demand. New antimicrobial agents alone cannot handle the problem of increasing bacterial resistance but innovative drug delivery strategies and fast identification of infection causing pathogens are required to diminish bacterial resistance development. A very promising approach to improve the therapy of pneumonia is presented by local drug delivery to the lung. This application method enables high local drug concentrations in the lung leading to shorter application of antibiotics and hence reduces the risk of resistance development. Furthermore, the systemic concentration is lowered reducing the emergence of adverse effects. Therefore, in this thesis several approaches to improve the therapy of MRSA pneumonia are studied. One approach to achieve an efficient local delivery of antibiotics are nano-sized drug delivery systems which enable the nebulization of poorly-soluble antibiotics and can lead to even higher local drug concentrations due to their small size since nanoparticles improve mucus penetration and decrease phagocytosis by alveolar macrophages. Here, an analytical setup was developed that facilitates the identification of optimal preparation conditions for drug polyelectrolyte nanoplexes. Another promising approach to support antimicrobial therapy of pneumonia is presented by antibody-based immunotherapy. Since the stability of the antibody and hence its therapeutic activity are endangered during production, transport, storage, and application, a stabilizing formulation was developed for hUK-66, an antibody targeting surface antigens of S. aureus. Furthermore, nebulization of this formulated monoclonal antibody was studied to enable local application. Finally, the immunotherapeutic efficacy of the nebulized hUK-66 formulation was investigated in an animal in vivo study. Furthermore, rapid identification of the infection triggering pathogen is very important. The selective detection of S. aureus was achieved using optical planar Bragg grating sensors functionalized with hUK-66. In addition, the reusability of this system was studied applying a surface functionalization based on the cross-linker SPDP which enables a reversible fixation of the antibody.…
• Die Behandlung von Infektionen, die durch Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA)-Bakterien hervorgerufen wurden, stellt weltweit noch immer eine schwierige Herausforderung dar. Besonders durch MRSA ausgelöste nosokomiale Pneumonien stehen in direktem Zusammenhang mit erhöhter Morbidität und Mortalität sowie einer Verlängerung des Krankenhausaufenthaltes und der Beatmungsdauer. In Kapitel I dieser Dissertation werden die aktuellen Behandlungsempfehlungen für MRSA-Pneumonien und deren Nachteile diskutiert. Dabei wird in diesem ReviewDie Behandlung von Infektionen, die durch Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA)-Bakterien hervorgerufen wurden, stellt weltweit noch immer eine schwierige Herausforderung dar. Besonders durch MRSA ausgelöste nosokomiale Pneumonien stehen in direktem Zusammenhang mit erhöhter Morbidität und Mortalität sowie einer Verlängerung des Krankenhausaufenthaltes und der Beatmungsdauer. In Kapitel I dieser Dissertation werden die aktuellen Behandlungsempfehlungen für MRSA-Pneumonien und deren Nachteile diskutiert. Dabei wird in diesem Review aufgezeigt, dass aufgrund der drohenden Gefahr von schweren Nebenwirkungen und des Problems der steigenden Antibiotikakonzentrationen, die zur Bekämpfung von multiresistenten Krankheitserregern nötig sind, die alleinige systemische Anwendung von Antibiotika für eine Therapie der MRSA-Pneumonie mitunter nicht mehr ausreicht. Angesichts des vermehrten Auftretens von Resistenzen gegen die gängigen Antibiotika ist der Bedarf an neuen antimikrobiellen Mitteln sowie innovativen Strategien zur Wirkstoffapplikation hoch. Da die Entwicklung neuer Antibiotika in den letzten Jahrzehnten deutlich nachlässt, stellen Antikörper-basierte immuntherapeutische Ansätze eine vielversprechende Alternative dar. Darüber hinaus soll eine lokale Wirkstoffverabreichung in die Lunge die Pneumonie-Behandlung infolge erhöhter Wirkstoffkonzentration am Ort der Infektion und gleichzeitiger geringer systemischer Wirkstoffbelastung begünstigen, was das Risiko einer Resistenzentwicklung verringern kann. Verneblung ist hierbei ein direkter und einfacher Weg, Wirkstoffe bei intubierten Patienten an ihren Wirkort zu bringen und ist für die pulmonale Verabreichung von Antibiotika sowie Antikörpern gut erforscht. Zwar wurden weitere Fortschritte in der Weiterentwicklung der Gerätetechnologie und Wirkstoff-verabreichung für die Verneblung von Antibiotika und Antikörpern gemacht, diese wurden aber bisher kaum in der Behandlung von MRSA-Pneumonien umgesetzt. Deshalb konzentriert sich das erste Kapitel auf eine Übersicht über die Fortschritte in der lokalen Wirkstoffapplikation, welche potentiell auf die Behandlung von MRSA-Pneumonie mittels Antikörpern und Antibiotika übertragbar wären. Kapitel II beschäftigt sich mit „Drug Delivery“-Systemen für Antibiotika in Nanometergröße, welche eine Umgehung des Löslichkeitsproblems von schwer wasserlöslichen Wirkstoffen ermöglichen. Außerdem kann eine durch Nanopartikel verbesserte Mucuspenetration die Wirkstoffkonzentrationen am Wirkort erhöhen, was als Möglichkeit angesehen wird, das Auftreten von Antibiotikaresistenz zu vermindern. Nanopartikel-Komplexe (Nanoplexe), welche durch Selbst-Zusammenlagerung eines Wirkstoffs und eines entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyts hergestellt werden, erlauben eine noch höhere Wirkstoffbeladung als herkömmliche Nanopartikel. In diesem Kapitel wurde unter Verwendung von Ciprofloxacin (CIP) und Dextransulfat (DS) als Modellkomponenten ein analytisches Setup evaluiert, das geeignet sein soll, optimale Herstellungsbedingungen für die Bildung von Nanoplexen zu identifizieren. Hierbei wurde die Eignung von Isothermaler Titrationskalorimetrie (ITC) zusammen mit anderen analytischen Methoden als Selektions-Hilfsmittel für eine rationale Formulierungsoptimierung bewertet, indem der Einfluss von unterschiedlichen Salzen und verschiedenen ionischen Stärken auf die CIP/DS-Nanoplexbildung untersucht wurde. Die Anwesenheit von Salz führte hierbei zu kleineren und zahlreicheren Partikeln mit größerer Einheitlichkeit, hatte aber keinen Einfluss auf die Freisetzung von CIP aus den Nanoplexen. Bedeutsam ist auch, dass die Bindungsaffinität mit Partikelform und Morphologie korrelierte, was möglicherweise eine Optimierung entscheidender Qualitätseigenschaften basierend auf ITC-Daten ermöglicht. Insgesamt erwies sich ITC zusammen mit den ergänzenden Methoden als nützliches Instrument für die Evaluierung von Bedingungen für Mischungsverhältnis, Art des Salzes und ionische Stärke für die Bildung von Nanoplexen. In Kapitel III wird der Rahmen der Behandlungsmöglichkeiten für MRSA-Infektionen auf Antikörper-basierte Immuntherapien erweitert. Einen vielversprechenden Ansatz, die Abtötung der Bakterien zu fördern, stellt der zielgerichtete Angriff auf Komponenten der Bakterienoberfläche mit immunogenen Eigenschaften durch den humanisierten monoklonalen Antikörper hUK-66 dar. Allerdings werden therapeutische Proteine während ihrer Herstellung und bis zum Ende ihrer Aufbrauchsfrist mit einer Vielzahl von externen Einflüssen konfrontiert, die ihre Konformation und somit Stabilität beeinträchtigen können. Um eine wirksame Wirkstoffverabreichung zu ermöglichen und ungewollte Reaktionen des Immunsystems aufgrund Aggregation des Proteinmoleküls zu vermeiden, erstrebt dieses Kapitel die Identifizierung einer Formulierung für hUK-66, welche dessen physikalische und chemische Proteinstabilität bewahrt. Mit Hilfe von Ergebnissen der Charakterisierung des Antikörpers wurde ein optimaler pH-Wert für die Formulierung in einer Stabilitätsstudie mit kurzer Laufzeit evaluiert. In direktem Anschluss wurden verschiedene Kombinationen von Hilfsstoffen und Darreichungsformen hinsichtlich ihrer Fähigkeit, die Antikörperstabilität zu bewahren, analysiert, indem unterschiedliche flüssige und gefriergetrocknete Formulierungen in einer Langzeitstabilitätsstudie bei verschiedenen Lagerungstemperaturen untersucht wurden. Eine Lyophilisierung von hUK-66 in Histidinpuffer, pH 6, zusammen mit den Stabilisatoren Saccharose und Polysorbat 20 konnte die Stabilität dieses Antikörpers während des gesamten Formulierungsprozesses und einer Langzeit-Einlagerung bei 2-8°C nachweislich bewahren. Um therapeutische Proteine über die Lunge zu applizieren, ist es nötig, ein inhalierbares Aerosol zu erzeugen. Da sich jedoch während des Verneblungsprozesses die Luft-Flüssigkeitsgrenzfläche erheblich vergrößert, werden die Biomoleküle einem Grenzflächen-stress ausgesetzt. Deshalb werden in Kapitel IV die zuvor entwickelten hUK 66-Formulierungen hinsichtlich ihrer Eignung untersucht, den Antikörper während der Verneblung durch einen Düsenvernebler zu stabilisieren. Da zum Vernebeln eine sehr große Probenmenge benötigt wird, wurde zuerst ein In-vitro-Ersatzverfahren entwickelt, welches den Verneblungsstress simuliert, um den Wirkstoffverbrauch zu reduzieren. Die hUK-66-Formulierung mit Saccharose und Polysorbat 20 bewies, dass sie die Stabilität dieses Proteins sowohl im Vorversuch als auch bei der eigentlichen Verneblung bewahren konnte. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass eine Verneblung keinen nachteiligen Effekt auf die chemische Stabilität des Antikörpers ausgeübt hat. Zuletzt konnte die immuntherapeutische Wirksamkeit der vernebelten hUK-66-Formulierung bewiesen werden, da die Überlebensrate von Mäusen, die intranasal mit S. aureus infiziert worden waren, durch Inhalation der Antikörper-formulierung verlängert werden konnte. Für diese In-vivo-Studie wurde ein spezieller Aufbau erfolgreich entwickelt, der die Applikation des Aerosols an wache und normal atmende Mäuse ermöglicht. Ein zusätzlicher Vorteil dieses Aufbaus war, dass die Mäuse dem Aerosol nur mit der Nase ausgesetzt waren, was die Nachteile einer Ganzkörperverneblung, wie Absorption über die Haut und Bedarf an großen Mengen an Aerosol, verringerte. Insgesamt gefährdeten die vielfache Verneblung und Rezirkulation der Proteinlösung innerhalb des Reservoirs die Konformation des formulierten Antikörpers unwesentlich. Somit konnte in dieser Arbeit die Stabilität von hUK-66 in einer optimierten Formulierung während einer Verneblung bewiesen sowie sein immuntherapeutisches Potential für eine effektive Behandlung von S. aureus Infektionen bei pulmonaler Verabreichung gezeigt werden. Ein weiterer wichtiger Punkt für eine effektive und schnelle Behandlung von Pneumonien ist die umgehende Detektion und Identifikation derjenigen Krankheitserreger, welche die Infektion auslösen. Eine anschließende geeignete Wahl der Medikation ist entscheidend, um eine systemische Verbreitung und Fortdauer der Infektion genauso wie das Auftreten von Antibiotikaresistenzen zu vermeiden. Deshalb sind effiziente Detektionsmethoden für Pathogene im Bereich der klinischen Diagnostik sehr gefragt. In Kapitel V wurden Biosensoren als vielversprechende Alternative zur Verbesserung der Pathogendetektion untersucht, da sie eine sensitive, spezifische und schnelle Analyse diverser Proben erlauben. Durch Immobilisierung von hUK-66-Antikörpern auf der Oberfläche eines optischen planaren Bragg-Gitter-Sensors konnte eine selektive Detektion von S. aureus erreicht werden. Um weiterhin die Wiederverwendbarkeit der Sensoren zu verbessern sowie Installationszeit, Kosten und Vorbereitungsaufwand zu reduzieren, wurde eine Sensoroberflächen-funktionalisierung dahingehend evaluiert, ob sie eine wiederholte Verwendung des Sensors für die Antikörper-basierte Detektion von lebenden Bakterien ermöglicht. Die Anbindung von hUK-66, einem Fänger-Antikörper spezifisch für S. aureus, auf der Sensoroberfläche mit Hilfe eines spaltbaren Linkers sowie die anschließende spezifische Bindung von S. aureus konnten in Echtzeit nachverfolgt werden, was die Anwendbarkeit von optischen Sensoren für eine spezifische und schnelle Detektion von großen biologischen Strukturen hervorhebt. Die Wiederverwendbarkeit der mit Bakterien gesättigten Sensoren konnte erfolgreich durch eine Abspaltung des Antikörpers zusammen mit den angebundenen Bakterien mittels Reduktion der Disulfidbindungen und anschließender Refunktionalisierung mit aktiviertem Antikörper gezeigt werden und führte zu einer vergleichbaren Sensitivität gegenüber S. aureus.…