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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-100166
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/10016/


Application of Polyelectrolyte Capsule for Drug Delivery and Intracellular pH-Sensing

Anwendung der Polyelektrolytkapsel zur Arzneimittelabgabe und intrazelluläre pH-Messung

Roy, Sathi

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Basisklassifikation: 50.94
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Parak, Wolfgang (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.09.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 21.10.2019
Kurzfassung auf Englisch: In recent years, tremendous efforts have been devoted in pharmaceutical research area to the development of future Nano medicines that can be used as an effective drug delivery system (DDS). Polyelectrolyte capsule (PEC) formed through layer-by-layer (LbL) technology has emerged as a potential technique for different cargo encapsulation and successful release of cargo at desired site. In case of drug delivery application, despite of having several advantages, bigger size (>2μm) of capsule limits from any real application. Therefore, one of the aim of my research work was to synthesize small PEC based DDS through completely biocompatible process. Here we have reported formation of a small PEC (˂1μm) made of biodegradable polymers, alginate (ALGI) and Poly-L-arginine (PARG) with a pH sensitive outer layer of EUDRAGIT L 100 (EuL) polymer. As a model drug, a natural hydrophobic extract curcumin was used. Curcumin possesses a wide range of biological activities including antioxidant, anti-inflammatory, anticancer and antimicrobial effects. In case of poor water soluble drug like curcumin, one of the major issues is reduced bioavailability after internalization into body. Encapsulation inside capsule protected the therapeutic activity and also increases bioavailability of these kinds of drugs. The viability study and uptake study of these drug loaded Nano capsule supports potentiality of this system for drug delivery.
Another aspect that highlighted in my research work is potentiality of PEC based sensor for intracellular pH analysis using high throughput analysis techniques Flow cytometry (FACS). Investigation of change in different ion concentration inside cell can reveal many unknown facts regarding various intracellular processes that can be induced by some external or internal factors. Different nanomedicine exposed to cell is also an external factor that can trigger different intracellular ion changes and understanding these facts will help us to design better pharmaceutical compounds. Most of these Nano carriers enters into cell through different endocytic process and have a tendency to get entrapped into lysosome which is the enzyme factory of cell. For effective intracellular delivery from Nano carriers containing different biopharmaceuticals requires release of it into cytosol by endosomal escape. Longer entrapment into lysosome will destroy
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reactivity of therapeutics. Various researches are going on to develop efficient Nano carriers made of different pH sensitive polymers which can trigger endosomal escape by pH-induced structural change of lysosome. Polyethyleneimine (PEI) is one of such pH-sensitive polymer which has been widely explored for non-viral gene delivery and also for designing Nano carriers, efficient for therapeutic release to cytosol. The mechanism behind high efficiency of PEI for endosomal escape has been explained by the well accepted ‘Proton-sponge hypotheses. This hypothesis emphasizes high buffering capacity of PEI inside lysosome along with subsequent increase in lysosomal pH which is considered as one of the main factor behind endosomal escape. However, the experimental evidence to prove lysosomal pH change occurring in presence of PEI, is not satisfactory. Herein we have used SNARF loaded polyelectrolyte capsule as an intracellular pH sensor to investigate this phenomenon by monitoring lysosomal pH change in presence of different PEI exposed to cell. SNARF is a pH sensitive dye and it has dual emission property which enables ratio metric pH sensing without using any further reference fluorophore. The pH-sensor capsules were formed using polystyrene sulfonate (PSS) and polyallylamine hydrochloride (PAH) polymer by L-b-L method. In addition to exposing free PEI to cell, the outer layers of pH-sensor capsule were also modified with PEI in order to measure pH of lysosome (pHlyso). A detailed quantitative analysis of pHlyso has revealed influence of PEI on lysosomal pH rise. The comprehensive uptake study of PEI modified sensor capsule as compared to non-modified sensor capsule (control system) has also supported this result.
Kurzfassung auf Deutsch: In den letzten Jahren wurden im Bereich der pharmazeutischen Forschung enorme Anstrengungen unternommen, um zukünftige Nanomedizin zu entwickeln, die als wirksames Wirkstoffabgabesystem (DDS) eingesetzt werden kann. Polyelektrolyt-Kapseln (PEC), die durch Schicht für Schicht (LbL) -Technologie gebildet werden, haben sich als potentieller Träger für die unterschiedliche Einkapselung von Fracht und das erfolgreiche Freisetzen von Fracht an der gewünschten Stelle herausgebildet. Im Falle einer Medikamentenabgabe ist ihre größere Größe (> 2 & mgr; m) von jeder realen Anwendung abhängig, obwohl sie mehrere Vorteile hat. Daher bestand das Ziel meiner Doktorarbeit darin, kleine PEC-basierte DDS durch ein vollständig biokompatibles Verfahren zu synthetisieren. Hier haben wir die Bildung von kleinem PEC (~ 1μm) aus biologisch abbaubaren Polymeren, Alginat (ALGI) und Poly-L-Arginin (PARG) mit einer pH-empfindlichen äußeren Schicht aus EUDRAGIT L 100 (EuL) -Polymer beschrieben. Als Modellarzneimittel wurde ein natürlicher hydrophober Extrakt Curcumin verwendet. Curcumin verfügt über ein breites Spektrum an biologischen Aktivitäten, einschließlich antioxidativer, entzündungshemmender, antimikrobieller und antimikrobieller Wirkungen. Bei schlecht wasserlöslichen Arzneimitteln ist eines der Hauptprobleme die verminderte Bioverfügbarkeit nach der Internalisierung im Körper. Die Verkapselung des wasserunlöslichen Modellarzneimittels Curcumin in der Kapsel schützte deren therapeutische Aktivität und steigerte auch die Bioverfügbarkeit. Die Durchführbarkeitsstudie und die Aufnahmestudie dieser mit Wirkstoff beladenen Nanokapseln unterstützen das Potenzial dieses Systems für die Wirkstoffabgabe. Ein weiterer Aspekt, der in meiner Forschungsarbeit hervorgehoben wurde, ist das Potenzial eines PEC-basierten Sensors für die intrazelluläre pH-Analyse durch Hochdurchsatz-Analysetechniken unter Verwendung von Durchflusszytometrie (FACS). Die Untersuchung der Veränderung der unterschiedlichen Ionenkonzentration innerhalb einer Zelle kann viele unbekannte Tatsachen bezüglich verschiedener intrazellulärer Prozesse aufdecken, die durch externe oder interne Faktoren ausgelöst werden können. Unterschiedliche Nanomedizin, die der Zelle ausgesetzt ist, ist auch ein externer Faktor, der verschiedene intrazelluläre Ionenveränderungen auslösen kann,
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und das Verständnis dieser Fakten wird uns dabei helfen, bessere pharmazeutische Verbindungen zu entwickeln. Die meisten dieser Nanotransporter dringen durch unterschiedliche endozytische Prozesse in die Zelle ein und neigen dazu, im Lysosom eingeschlossen zu sein, das die Enzymfabrik der Zelle ist. Für eine effektive intrazelluläre Abgabe von Nanocarriern, die verschiedenen Biopharmaka enthalten, ist die Freisetzung in Cytosol durch endosomale Flucht erforderlich. Ein längerer Einschluss in das Lysosom zerstört die Reaktivität von Therapeutika. Verschiedene Forschungen arbeiten an der Entwicklung effizienter Nanotransporter aus verschiedenen pH-empfindlichen Polymeren, die durch pH-induzierte strukturelle Veränderungen des Lysosoms das endosomale Entweichen auslösen können. Polyethylenimin (PEI) ist ein solches pH-empfindliches Polymer, das für die nicht-virale Genabgabe und auch für das Design von Nanoträgern, die für die therapeutische Freisetzung von Cytosol wirksam sind, vielfach erforscht wurde. Der Mechanismus hinter der hohen Effizienz von PEI für die endosomale Flucht wurde durch die allgemein akzeptierte "Proton-Schwamm-Hypothese" erklärt. Diese Hypothese hebt die hohe Pufferkapazität von PEI im Lysosom und die anschließende Erhöhung des lysosomalen pH-Werts hervor, die als einer der Hauptfaktoren für das endosomale Entweichen angesehen wird. Die experimentellen Beweise für den Nachweis der Veränderung des lysosomalen pH-Werts in Gegenwart von PEI sind jedoch nicht zufriedenstellend. Hier haben wir eine mit SNARF beladene Polyelektrolytkapsel als intrazellulären pH-Sensor verwendet, um dieses Phänomen zu untersuchen, indem die Veränderung des lysosomalen pH-Werts in Gegenwart von verschiedenen PEI-Zellen überwacht wird. SNARF ist ein pH-empfindlicher Farbstoff und besitzt eine duale Emissionseigenschaft, die eine pH-Messung des Verhältnismaßes ohne Verwendung eines weiteren Referenzfluorophors ermöglicht. Die pH-Sensorkapseln wurden unter Verwendung von Polystyrolsulfonat- (PSS) und Polyallylaminhydrochlorid- (PAH) -Polymer durch das L-b-L-Verfahren gebildet. Zusätzlich zur Freisetzung von freiem PEI für Zellen wurden die äußeren Schichten der pH-Sensorkapsel auch mit PEI modifiziert, um den pH-Wert des Lysosoms (pHlyso) zu messen. Eine detaillierte quantitative Analyse von pHlyso hat den Einfluss von PEI auf den pH-Anstieg von Lysosomen gezeigt. Die umfassende
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Aufnahmestudie der PEI-modifizierten Sensorkapsel im Vergleich zu einer nicht modifizierten Sensorkapsel (Kontrollsystem) hat dieses Ergebnis ebenfalls unterstützt.

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