Kinetics of polymeric nanoparticulate carriers and cargo under physiological and pathological conditions in the retina

Abstract

PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid))-based nanoparticles (NPs) are promising drug carrier systems because of their excellent biocompatibility. However, it is not well understood how the kinetics of such drug delivery system depends on its cargo. To answer this question, I analyzed the distribution of NP drug carrier systems after intravenous injection with in vivo and ex vivo fluorescent imaging of the rat retina. In my first project (Study I) I investigated PLGA NPs loaded with fluorescent lipophilic carbocyanine perchlorate (DiI) or hydrophilic Rhodamine 123 (Rho123) and revealed that DiI was partially retained within the NPs circulating in the retinal blood vessels and the released DiI accumulated in the blood vessel walls. In contrast, negligible Rho123 stayed associated with NPs and the dye almost completely disappeared from blood circulation within minutes. As drug delivery systems will be used for the treatment of diseases, I further investigated the kinetics of PLGA NPs with the lipophilic fluorescent model drug coumarin 6 (Cou6) as cargo in the injured retina after optic nerve crush (ONC). Retina imaging revealed that Cou6 was rapidly released from NPs and penetrated the inner BRB within 15 min. Ex vivo microscopy of retinal flat mounts indicated that Cou6 accumulated predominantly in the extracellular space, and to a lesser extent in neurons. Seven days after ONC the area of distribution of Cou6 in ganglion cell layer parenchyma was increased and the elimination of the empty PLGA carrier was accelerated as compared to healthy controls. In Study III, I adapted a statistical learning method which uses key physiochemical parameters of compounds to predict blood-brain barrier (BBB; similar to blood-retina barrier) passage and applied it to the model drugs DiI, Rho123 and Cou6. This in silico approach confirmed that Cou6 passes the BBB, whereas DiI does not. Therefore, the in silico approach is suitable to predict some aspects of the drug delivery process. In conclusion, the temporal and spatial release pattern and distribution of nano carrier systems are significantly influenced by the properties of loaded compounds, the blood milieu and normal vs pathological conditions. These results emphasize the need for an individual in vivo profiling of NPs delivery systems depending on their cargo.

Nanopartikels (NPs) basierend auf PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) sind aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität vielversprechende Wirkstoffträgersysteme. Bisher weiß man jedoch noch nicht, wie die Kinetik einer solchen Darreichungsform vom Wirkstoff abhängt. Um diese Frage zu beantworten, analysierte ich die Verteilung von NP-Wirkstoffträgersystemen nach intravenöser Injektion mit fluoreszierender Bildgebung an in vivo und ex vivo Präparationen der Netzhaut der Ratte. In meinem ersten Projekt (Studie I) untersuchte ich PLGA-NPs, die mit einer fluoreszierenden lipophilen Carbocyaninperchlorat-Verbindung (DiI) oder einer hydrophilen Rhodamin-Verbindung (Rhodamin 123 (Rho123)) beladen waren. Dabei konnte ich zeigen, dass DiI teilweise in den NPs verblieb, die in den Netzhautblutgefäßen zirkulierten, und dass das freigesetzte DiI in den Blutgefäßwänden akkumulierte. Im Gegensatz dazu blieb nur verschwindend wenig Rho123 mit NPs assoziiert, und der Farbstoff verschwand innerhalb von Minuten fast vollständig aus dem Blutkreislauf. Da Darreichungsformen zur Arzneimittelfreisetzung für die Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden, untersuchte ich sodann die Kinetik von PLGA NPs, die mit lipophilem, fluoreszierenden Cumarin 6 (Cou6) als Arzneimittelsurrogat beladen waren, in der nach Sehnerv Quetschung (optic nerve crush; ONC) verletzten Netzhaut. Die Retina-Bildgebung ergab, dass Cou6 schnell aus NPs freigesetzt wurde und innerhalb von 15 Minuten die Gefäßwände der retinalen Blutadern überwand. Ex-vivo-Mikroskopie von retinalen Flachpräparaten zeigte, dass Cou6 vorwiegend im extrazellulären Raum des Retinagewebes und in geringerem Maße in Neuronen akkumulierte. Sieben Tage nach ONC war der Verteilungsbereich von Cou6 in der Ganglienzellenschicht vergrößert und die Eliminierung des leeren PLGA-Trägers im Blut im Vergleich zu gesunden Kontrollen beschleunigt. In Studie III habe ich einen statistischen Lernalgorithmus angepasst, der anhand wichtiger physiochemischer Parameter von chemischen Verbindungen die Passage über die Blut-Hirn-Schranke (BHS; ähnlich der Blut-Netzhaut-Schranke) vorhersagt. Diesen Algrorithmus habe ich bei den Modellsubstanzen DiI, Rho123 und Cou6 angewendet. Dieser In-Silico-Ansatz bestätigte, dass Cou6 die BHS überwinden kann, DiI jedoch nicht. Dieser Ansatz ist daher geeignet, einige Aspekte der Arzneimittelverteilung vorherzusagen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das zeitliche und räumliche Freisetzungsmuster und die Verteilung von Nanoträgersystemen maßgeblich von den Eigenschaften transportierten Wirkstoffe, dem Blutmilieu und normalen vs. pathologischen Bedingungen beeinflusst werden. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer individuellen In-vivo-Charakterisierung von NP-Darreichungsformen in Abhängigkeit von dem transportierten Wirkstoff.