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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-90886
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9088/


Thrombus-Targeted Theranostic Microbubbles for Simultaneous Ultrasound Diagnosis and Therapy of Thrombosis

Auf Thromben zielgerichtete Theranostische Mikrobubbles für die simultande Diagnose und Therapie von Thromben

Gkanatsas, Yannik Andreas

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Basisklassifikation: 44.85
Institut: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin, Gesundheit
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Eschenhagen, Thomas (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.12.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 05.04.2018
Kurzfassung auf Englisch: Thrombosis, leading to myocardial infarction and stroke, accounts for a large number of deaths and premature disability worldwide. Effective, systemically administered fibrinolysis comes with the major drawback of bleeding complications, hampering its broader use. To date, no non-invasive imaging technology for a rapid diagnosis of acute thrombosis exists, despite a significant medical need for a timely therapy.

In this preclinical proof of concept study, the aim was to combine diagnosis and bleeding-free therapy for thrombosis in a single ‘theranostic’ agent for a non-invasive, easy to use, radiation-free ultrasound setting.

We have produced targeted theranostic microbubbles (TT-MB) which comprise of ultrasound contrast enhancing agents (MB), single chain antibodies which specifically target activated platelets (scFvanti-LIBS) and a fibrinolytic agent (biotinylated scuPA), the two latter of which are conjugated onto the surface of the bubble. After thorough, in vitro testing of the separate functionality of the single chain antibody and the fibrinolytic agent, TT-MBs were created. They bound to microthrombi, in an in vitro flow adhesion assay, showing successful adherence under shear stress. Additionally, we successfully proved that the TT-MB bind to ferric-chloride-induced thrombi in the carotid artery of the mouse in vivo, initiating therapeutic thrombolysis while enabling real time monitoring of the success or failure of thrombolysis via ultrasound B-mode imaging. The antibody mediated attachment allows for an efficient clot localised fibrinolysis. The localised potency of the fibrinolytic agent at the clot, and the subsequently low systemic concentration, notably prevented an increase in the overall bleeding risk in the in vivo mouse tail-bleed model, compared to a systemically administered, non-targeted fibrinolytic agent.

Overall, we have developed a unique agent for ultrasound, which is able to diagnose acute thrombosis and allow targeted thrombolytic treatment simultaneously, as well as to provide the opportunity to monitor its treatment in real time. This technology holds promise for a new technique in rapid diagnosis and bleeding-free thrombolysis, thereby potentially preventing the often devastating consequences of thrombotic disease in many patients. Therefore, this approach has the potential to be translated into clinical application.
Kurzfassung auf Englisch: Thrombosen/Thrombembolien, die zum Myokardinfarkt oder Schlaganfall führen, sind weltweit für eine bedeutende Zahl von Todesfällen und vorzeitiger Behinderung verantwortlich. Vorhandene effektive, systemisch applizierte Fibrinolyse hat als erheblichen Nachteil Blutungskomplikationen, die einen häufigeren Gebrauch verhindern. Trotz des Bedarfs für eine zeitnahe Therapieeinleitung existiert bis heute keine nicht-invasive Bildgebung zur schnellen Diagnose einer akuten Thrombose/Thrombemboli.

In dieser präklinischen ‚Proof of Concept’-Arbeit bestand die Zielsetzung darin, eine Kombination von Diagnose und blutungsfreier Therapie einer Thrombose durch einen alleinigen ‚theranostischen’ Partikel in einem nicht-invasiven, einfach zu handhabenden Ultraschall-Setting ohne Strahlenbelastung zu erreichen.

Wir stellten ‚targeted theranostic Microbubbles (TT-MB)’ her, die aus den ultraschallkontrastverstärkenden Partikeln (MB), scFv-Antikörperfragmenten, welche spezifisch aktivierte Thrombozyten binden (scFvanti-LIBS) und einem fibrinolytischen Protein (biotinylierte scuPA) bestanden, wobei die beiden Letztgenannten auf die Hülle der MB konjugiert wurden. Nach gründlicher in vitro Testung der separaten Funktion des scFv-Antikörperfragments und des fibrinolytischen Proteins produzierten wir TT-MB. Diese banden an Mikrothromben in einem in vitro Fließ-Bindungs-Test, sodass eine erfolgreiche Bindung unter anliegenden Scherkräften gezeigt werden konnte. Darüber hinaus bewiesen wir, dass die TT-MB an Eisen-Chlorid-induzierten Thromben in der A. carotis der Maus in vivo binden, therapeutische Thrombolyse initiieren und eine gleichzeitige Beurteilung über Erfolg oder Misserfolg der Thrombolyse über das Ultraschall B-Bild erlauben. Die Antikörperfragment-vermittelte Bindung ermöglichte eine effiziente Thrombus-lokalisierte Fibrinolyse. Die lokalisierte Wirksamkeit des fibrinolytischen Agens an dem Thrombus und die dadurch geringe systemische Konzentration verhinderten insbesondere das Blutungsrisiko in dem in vivo Mausschwanz-Blutungsmodell im Vergleich zu der systemisch applizierten, nicht zielgerichteten Fibrinolyse.

Zusammenfassend haben wir also einen einzigartigen Partikel für den Ultraschall geschaffen, der es uns ermöglicht, eine akute Thrombose zu diagnostizieren und simultan eine zielgerichtete thrombolytische Therapie einzuleiten. Dabei gibt der Partikel uns die Möglichkeit, die Behandlung zeitgleich zu überwachen. Die Technologie verspricht eine schnelle Diagnose und blutungsfreie Thrombolyse, infolgedessen könnten potentiell, oft schwerwiegende Konsequenzen einer Thrombosierung bei vielen Patienten verhindert werden. Deswegen kann unser Ansatz auch für eine klinische Anwendung in Betracht gezogen werden.

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