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1. GEBIET
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen aus polymeren Mizellen,
die nützlich
sind für den
Transport von Arzneimitteln einschließlich, unter anderem, Arzneimittel
gegen Krebs.
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2. HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
Haupthindernis bei der Verwendung von Chemotherapeutika ist die
mangelnde Selektivität
für Krebszellen.
Diese mangelnde Selektivität
wurde mit den toxischen Nebenwirkungen bei der Verwendung dieser
Mittel aufgrund ihres Transports zu normalen und abnormalen Zellen
in Verbindung gebracht. Die mangelnde Selektivität von Arzneimitteln für Zielzellen
ist auch bei der Behandlung einer Vielzahl von Erkrankungen neben
Krebs ein Problem. Zahlreiche Forschungsarbeiten haben sich auf
die Entwicklung von Trägern
für Arzneimittel
konzentriert, die das Arzneimittel gezielt zu Zielzellen befördern können. Um
zum Beispiel den speziellen Transport von Arzneimitteln mit einer
geringen therapeutischen Breite zu verbessern, wurden mehrere Arzneimittelträger wie
zum Beispiel Liposome, Mikropartikel, Nanopartikel und Arzneimittel-Polymer-Konjugate
untersucht.
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Von
den untersuchten Transportvorrichtungen haben Liposome (Phospholipidvesikel)
beachtliche Aufmerksamkeit erregt. Ihre Wirksamkeit beim Transport
ist jedoch durch das rasche Ausschwemmen durch retikuloendotheliale
Zellen (RE-Zellen) von Leber und Milz, Instabilität im Plasma,
begrenzte Fähigkeit
zur Extravasation aufgrund ihrer Größe, technische Probleme bei
ihrer Herstellung und Empfindlichkeit gegen Oxidation begrenzt.
Es wurden zwar Lösungen
für einzelne
Probleme gefunden, doch Lösungen
für mehr
als ein Problem wurden selten in einer einzigen Zusammensetzung
kombiniert. Wenn zum Beispiel die Erkennung durch RE-Zellen vermindert
und die Stabilität
verbessert ist, ist es schwierig, stabile Liposomen mit einem Durchmesser
von weniger als 50 nm zu erhalten.
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Polymere
Mizellen wurden zum ersten Mal 1984 von Bader, H. et al. in Angew.
Makromol. Chem. 123/124 (1984), 457-485, als Arzneimittelträger vorgeschlagen.
Polymere Mizellen waren Gegenstand einer wachsenden Aufmerksamkeit
der Wissenschaftler und haben sich als potenzieller Träger für Arzneimittel
mit schlechter Wasserlöslichkeit
erwiesen, weil sie jene Arzneimittel in ihrem inneren Kern solubilisieren
können und
attraktive Merkmale wie zum Beispiel eine insgesamt geringe Größe (< 100 nm) bieten
und außerdem dazu
neigen, einer Ausschwemmung durch das retikuloendotheliale System
(RES) zu entgehen.
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Mizellen
werden oft mit natürlich
vorkommenden Trägern
wie zum Beispiel Viren oder Lipoproteinen verglichen. Diese drei
Träger
zeigen alle eine ähnliche
Kern-Schale-Struktur,
die es erlaubt, dass ihr Inhalt während des Transports zu der
Zielzelle geschützt
wird, ob es sich nun um DNA für
Viren oder um wasserunlösliche
Arzneimittel für
Lipoproteine und Mizellen handelt.
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Lipoproteine
wurden als Vehikel für
den Transport von Antitumorverbindungen zu Krebszellen vorgeschlagen,
weil Tumore einen verstärkten
Bedarf an Lipoproteinen niedriger Dichte zeigen. Die Wirksamkeit
von Lipoproteinen als Träger
wurde jedoch hauptsächlich
deshalb in Frage gestellt, weil in Arzneimitteln enthaltene Lipoproteine
auch durch gesunde Zellen erkannt werden würden und weil sie mit natürlichen
Lipoproteinen um Rezeptororte auf Tumoren konkurrieren müssten. Virale
Träger
werden dagegen hauptsächlich
zum Transport von genetischem Material verwendet und können bei
Anwendungen, die keine wiederholte Verwendung des Transportvehikels
erfordern, optimal verwendet werden, da sie wahrscheinlich eine
Immunantwort auslösen werden.
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Polymere
Mizellen gehören
anscheinend zu den vorteilhaftesten Trägern für den Transport wasserunlöslicher
Arzneimittel. Polymere Mizellen sind gekennzeichnet durch eine Kern-Schale-Struktur.
Die pharmazeutische Forschung an polymeren Mizellen hat sich hauptsächlich auf
Capolymere mit einer A-B-Zweiblockstruktur konzentriert, wobei A
die hydraphilen Schalenkomponenten und B die hydrophoben Kernpolymere sind.
Mehrblock-Copolymere wie zum Beispiel Poly(ethylenoxid)-Poly(propylenoxid)-Poly(ethylenoxid) (PEO-PPO-PEO)
(A-B-A) können
sich ebenfalls selbst zu Mizellen organisieren und wurden als potenzielle Arzneimittelträger beschrieben
(siehe Kabanov, A.V. et al., FEBS Lett. 258 (1989) 343-345). Der
hydrophobe Kern, der im Allgemeinen aus einem biologisch abbaubaren
Polymer wie zum Beispiel einem Poly(β-benzyl-L-aspartat) (PBLA),
Poly(DL-Milchsäure)
(PDLLA) oder Poly(ε-caprolacton)
(PCL) besteht, dient als Behälter
für ein
unlösliches
Arzneimittel und schützt
es vor dem Kontakt mit der wässrigen
Umgebung. Der Kern kann auch aus einem wasserlöslichen Polymer wie zum Beispiel
Poly(asparaginsäure)
(P(Asp)) bestehen, das durch chemische Konjugation eines hydrophoben
Arzneimittels hydrophob gemacht wird, oder wird durch Assoziation
von zwei entgegengesetzt geladenen Polyionen (komplexe Polyionen-Mizellen)
gebildet. Mehrere Studien beschreiben die Verwendung nicht oder
schlecht biologisch abbaubarer Polymere wie Polystyrol (Pst) oder
Poly(methylmethacrylat) (PMMA) als Bestandteile des inneren Kerns.
Siehe z.B. Zhao, C.L. et al., Langmuir 6 (1990) 514-516; Zhang,
L. et al., Science 268 (1995) 1728-1731 und Inoue, T. et al., J.
Controlled Release 51 (1998) 221-229. Um als klinisch relevante
Arzneimittelträger
angesehen zu werden, müssen
nicht biologisch abbaubare Polymere nichttoxisch sein und ein ausreichend
niedriges Molekulargewicht haben, um auf dem Weg über die
Niere ausgeschieden zu werden. Der hydrophobe innere Kern kann auch
aus einer stark hydrophoben kleinen Kette wie zum Beispiel einer
Alkylkette oder einem Diacyllipid wie zum Beispiel Distearoylphosphatidylethanolamin
(DSPE) bestehen. Die hydrophobe Kette kann entweder an einem Ende
eines Polymers befestigt oder regellos in der polymeren Struktur
verteilt sein.
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Der
Mantel ist verantwortlich für
die Stabilisierung der Mizellen und für Wechselwirkungen mit Plasmaproteinen
und Zellmembranen. Er besteht normalerweise aus Ketten von hydrophilen,
nicht biologisch abbaubaren, biokompatiblen Polymeren wie PEO. Die
biologische Verteilung des Trägers
wird hauptsächlich
von der Art der hydrophilen Schale bestimmt. Weitere Polymere wie
Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPA) und Poly(alkylacrylsäure) verleihen
den Mizellen Temperatur- oder pH-Empfindlichkeit und könnten schließlich verwendet werden,
um ihnen Eigenschaften als biologischer Klebstoff zu verleihen.
Mizellen, die auf ihrer Oberfläche funktionelle
Gruppen zur Konjugation mit einer Transportkomponente aufweisen,
sind ebenfalls bekannt. Siehe z.B. Scholz, C. et al., Macromolecules
28 (1995) 7295-7297.
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Poly(N-vinyl-2-pyrrolidon)
(PVP) ist ein wohlbekanntes wasserlösliches, biokompatibles, amphiphiles Polymer,
wobei die stark polare Lactamgruppe von apolaren Methylengruppen
in der Hauptkette und von einer Methingruppe im Ring umgeben ist.
PVP wird herkömmlicherweise
als sterischer Stabilisator für
die Synthese von Polystyrollatizes verwendet. Siehe z.B. Gabaston,
L.I. et al., Macromolecules 31 (1998) 2883-2888; Rutt, J.S. et al.,
J. Polym. Sci.: Teil A: Polym. Chem., 32 (1994) 2505-2515. PVP kann
auch als Kryoschutzmittel und Lyoschutzmittel verwendet werden.
Siehe z.B. Skaer, H.B. et al., J. Microsc. 110 (1977) 257-270; Townsend, M.W.
et al., J. Parenter. Sci. Technol., 42 (1988) 190-199.
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Im
Vergleich zu PEG zeigt PVP eine bemerkenswerte Vielfalt an Wechselwirkungen
mit ionischen und nichtionischen Kosoluten. Siehe Molyneux, P.,
Proc. Int. Symp. Povidone (1983) 1-19. Eine Bindung findet am deutlichsten
mit Molekülen
mit langen Alkylketten oder aromatischen Komponenten statt. Ähnlich wie
PEG kann auch PVP die in-vivo-Umlaufzeit von kolloidalen Trägern und
Peptiden/Proteinen erhöhen.
Siehe z.B. Kamada, H. et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 257
(1999) 448-453; Torchilin, V.P., J. Microencapsulation 15 (1998)
1-19. Ferner wurde auch gezeigt, dass Nanopartikel, die Zweiblock-Copolymere aus Poly(D,L-milchsäure) und
Poly(ethylenglycol) (PEG) enthalten, nach dem Gefriertrocknen zusammenklumpen.
Siehe De Jaeghere, F. et al., Pharm. Res. 16 (1999) 859-866. Dieses
Problem wäre
mit PVP zu umgehen, da PVP selbst ein Lyoschutzmittel ist.
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N-Vinylpyrrolidon
(VP) kann mit einer großen
Vielzahl an Vinylmonomeren copolymerisiert werden. Mit elektronegativen
Monomeren bildet es alternierende Copolymere, während es mit Acrylaten statistische
Copolymere bildet. So wurde zum Beispiel ein Pfropfcopolymer aus
Poly(L-lactid) (PLLA) und PVP hergestellt. Siehe Eguiburu, J.L.
et al., J. San Roman, Polymer 37 (1996) 3615-3622. In dieser Studie
wurde ein PLLA-Makromonomer mit VP copolymerisiert, die Bildung
polymerer Mizellen wurde aber nicht bestätigt.
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Die
EP 0795561 A1 betrifft
ein neues Derivat einer Anthracyclinverbindung und ein pharmazeutisches Präparat aus
einem hochmolekularen Blockcopolymer-Arzneimittel-Komplex und sein Derivat.
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Die
WO 97/10849 betrifft ein Transportsystem für mizellare Arzneimittel, das
ein Blockcopolymer mit einem hydrophoben und einem hydrophilen Block
umfasst; wobei der hydrophobe Block ein biologisch abbaubares hydrophobes
Polymer ist, das ausgewählt
ist aus der aus Polylactid, Polyglycolid, Poly(lactidglycolid), Polycaprolacton
und Derivaten davon bestehenden Gruppe; und das hydrophile Polymer
ist Poly(alkylenoxid). Ein hydrophobes Arzneimittel kann ohne weiteres
mit Hilfe eines einfachen Verfahrens in die Mizelle eingebracht
werden, um eine therapeutisch wirksame Arzneimittelzusammensetzung
zu erhalten.
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Jones
M-C et al.; 'Polymeric
Micelles – A
New Generation of Colloidal Drug Carriers' European Journal of Pharmaceutics and
Bio-Pharmaceutics, Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam,
NL, Bd. 48, Nr. 2, 1. September 1999 (1999-09-01), Seiten 101-111, ISSN:0939-6411
betrifft polymere Mizellen als neue vielversprechende kolloidale
Träger
zum Transport von schlecht wasserlöslichen und amphiphilen Arzneimitteln.
Polymere Mizellen sind wesentlich stabiler als Tensidmizellen und
können
beachtliche Mengen hydrophober Verbindungen in ihrem inneren Kern
solubilisieren. Wegen ihrer hydrophilen Schale und ihrer geringen
Größe zeigen
sie manchmal längere
Umlaufzeiten in vivo und können
sich in Tumorgewebe ansammeln.
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Kassem,
M.A. et al.; 'Effect
of Bile Salt-Poly(Vinylpyrrolidone) Complexes on the Dissolution
Rate of Diethylstilbestrol and Digoxin' Pharmazie (1982), 37(4), 280-1, betrifft
primäre
mizellare Stufen von Gallensalzsystemen, wobei die Zugabe von Polyvinylpyrrolidon
die Auflösungsgeschwindigkeit
von Arzneimitteln steigern oder unterdrücken kann.
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Die
EP 1127570 betrifft ein
Herstellungsverfahren für
eine polymere Mizelle, die stabil ist und einen hohen Arzneimittelgehalt
hat, und eine Zusammensetzung, die solche polymeren Mizellen enthält. Es wird
ein Herstellungsverfahren für
eine polymere Mizelle offenbart, das die folgenden Schritte umfasst:
Lösen eines Arzneimittels
und eines speziellen Copolymers in einem mit Wasser nicht mischbaren
organischen Lösungsmittel,
um eine Lösung
herzustellen; Mischen der resultierenden Lösung mit Wasser, um eine Öl-Wasser-Emulsion
zu bilden, und dann das organische Lösungsmittel langsam aus der
Lösung
austreiben; und eine mit einem in Wasser kaum löslichen Arzneimittel beladene
polymere Mizellenzusammensetzung, die man nach dem obigen Herstellungsverfahren
erhalten kann.
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Die
WO 01/87227 betrifft polymere Mizellen, die pH- und/oder temperaturempfindlich
sind und die verwendet werden, um die Potenz von therapeutischen
Mitteln einschließlich
Antitumormitteln zu erhöhen.
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Bis
heute haben sich die meisten Studien, die sich mit der Herstellung
biologisch abbaubarer polymerer Mizellen beschäftigen, auf die Verwendung
von PEG zur Bildung der hydrophilen Schale konzentriert. Siehe z.B.
X. Zhang, et al., Inter. J. Pharm. 132 (1996) 195-206; Yokoyama,
M., et al., J. Control. Release 55 (1998) 219-229 und Allen, C.,
et al., J. Control. Release 63 (2000) 275-286.
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Es
besteht daher nach wie vor ein Bedarf an neuen biokompatiblen und
biologisch abbaubaren polymeren Mizellensystemen, die kein PEG enthalten,
aber dennoch gute Solubilisierungseigenschaften zeigen und für eine Vielzahl
von Arzneimitteln mehrere Bindungsstellen bereitstellen. Außerdem sollten
sie nach Zugabe von Wasser zu der gefriergetrockneten Form leicht
wieder dispergiert oder wieder gelöst werden. Die vorliegende
Erfindung betrifft ein solches System aus einem Zweiblock-PVP-Poly(D,L-lactid)
(PDLLA).
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3. ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Mizellen
bildende Zusammensetzung bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
eine
Mizellen bildende Zusammensetzung bestehend aus:
einem hydrophoben
Kern, umgeben von einer hydrophilen Schale, wobei der hydrophile
Kern Poly(D,L-lactid) ist und die hydrophile Schale Poly(N-vinyl-2-pyrrolidon) ist;
und
einem therapeutischen Mittel, wobei das therapeutische
Mittel physikalisch innerhalb der Mizelle eingeschlossen ist;
wobei
die Zusammensetzung nach Zugabe einer wässrigen Lösung zu einer gefriergetrockneten
Form der Mizellen bildenden Zusammensetzung leicht wieder dispergiert
oder wieder gelöst
wird.
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Gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung
der Mizellen bildenden Zusammensetzung zur Herstellung eines Medikaments
zur Verabreichung eines therapeutischen Mittels an einen Patienten,
der dieses benötigt,
bereitgestellt.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann
bei der Lektüre
der folgenden ausführlichen
Beschreibung besser verständlich.
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4. AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine kolloidale Zusammensetzung bereit,
die aus polymeren Mizellen besteht, die verwendet werden können, um
therapeutische Mittel mit einer schlechten Wasserlöslichkeit und/oder
einer speziellen Affinität
für die
hydrophile Schale zu transportieren. Die polymeren Mizellen sind
gekennzeichnet durch eine Kern-Schale-Struktur, wobei ein hydrophober
Kern von einer hydrophilen Schale aus Poly(N-vinyl-2-pyrrolidon)
umgeben ist.
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Das
hydrophile Polymer der vorliegenden Erfindung ist Poly(N-vinyl-2-pyrrolidon)
(PVP).
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Die
hydrophobe Komponente bildet den Kern der Mizelle. Die hydrophobe
Komponente kann ausgewählt
werden aus Poly(glycolsäure),
Poly(milchsäure),
Poly(D-milchsäure),
Poly(D,L-milchsäure),
Lactid/Glycolid-Copolymeren, Polycaprolacton und Derivaten davon;
Poly(orthoestern) und Derivaten davon; Polyanhydriden und Derivaten
davon; von Tyrosin hergeleiteten Pseudopoly(aminosäuren) und
Derivaten davon; Polyphosphazenen und Derivaten davon; Poly(β-benzyl-L-aspartat)
und Derivaten davon sowie Kombinationen davon. Eine bevorzugte hydrophobe
Komponente besteht aus Poly(D,L-lactid) (PDLLA). Das PDLLA ist in
einer Konzentration zwischen etwa 10% und etwa 50% (Gewichtsanteil)
vorhanden.
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4.1 Bildung von Mizellen
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Zur
Mizellenbildung kommt es aufgrund von zwei Kräften. Die eine ist eine Anziehungskraft,
die zur Assoziation von Molekülen
führt,
während
die andere eine Abstoßungskraft
ist, die ein unbegrenztes Wachstum der Mizellen zu einer charakteristischen
makroskopischen Phase verhindert. Amphiphile Copolymere assoziieren
sich selbst, wenn sie in ein Lösungsmittel
gegeben werden, das für
das hydrophile oder das hydrophobe Polymer selektiv ist.
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Der
Prozess der Mizellenbildung bei amphiphilen Copolymeren ist ähnlich wie
bei Tensiden von niedrigem Molekulargewicht. In sehr niedrigen Konzentrationen
liegen die Polymere nur als einzelne Ketten vor. Wenn die Konzentration
bis zu einem als kritische Assoziationskonzentration (CAC) bezeichneten
kritischen Wert zunimmt, beginnen sich die Polymerketten zu assoziieren,
um in einer solchen Weise Mizellen zu bilden, dass der hydrophobe
Teil des Copolymers den Kontakt mit dem wässrigen Medium, in dem das
Polymer verdünnt
ist, vermeiden wird. Bei der CAC ist eine beachtliche Menge an Lösungsmittel
im Inneren des Mizellenkerns zu finden, und die Mizellen werden
als lose Ansammlungen beschrieben, die eine größere Größe zeigen als bei höheren Konzentrationen
gebildete Mizellen. Bei diesen Konzentrationen wird das Gleichgewicht
eine Mizellenbildung begünstigen,
die Mizellen werden ihre Konfiguration eines niedrigen Energiezustandes
annehmen und das verbleibende Lösungsmittel
wird allmählich
aus dem hydrophoben Kern freigesetzt, was zu einer Verminderung
der Mizellengröße führt. Amphiphile
Copolymere zeigen normalerweise eine CAC, die viel niedriger ist
als die von Tensiden mit niedrigem Molekulargewicht. Die CAC von
PEO-PBLA und PNIPA-PSt liegt zum Beispiel zwischen 0,0005 und 0,002%.
Einige amphiphile Copolymere zeigen jedoch eine viel höhere CAC,
die bei den Poloxameren bis zu 0,01-10% reicht. Amphiphile Copolymere
mit einer hohen CAC eignen sich vielleicht nicht als Vorrichtungen
zum Transport von Arzneimitteln, da sie in einer wässrigen
Umgebung instabil sind und bei Verdünnung leicht dissoziieren.
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Die
Mizellenbildung amphiphiler Copolymere kann zu zwei verschiedenen
Arten von Mizellen führen, je
nachdem ob die hydrophobe Kette regellos an das hydrophile Polymer
gebunden oder auf ein Ende der hydrophilen Kette aufgepfropft ist.
Aus regellos modifizierten Polymeren gebildete Mizellen sind im
Allgemeinen kleiner als endmodifizierte Polymere. Die Mizellengröße wird
hauptsächlich
bestimmt durch die hydrophoben Kräfte, die die hydrophoben Ketten
in dem Kern maskieren, und durch die Abstoßung des ausgeschlossenen Volumens
zwischen den Ketten, die ihre Größe begrenzt.
Der Unterschied im Gleichgewicht dieser beiden Kräfte bei
den regellos modifizierten und den endmodifizierten Copolymeren
kann der Grund für
ihre unterschiedliche Größe sein.
Wenn sich hydrophobe Endgruppen zu Mizellen assoziieren, werden
die um die hydrophoben Segmente herum immobilisierten Wassercluster
aus dem Kern ausgeschlossen, und es besteht keine direkte Wechselwirkung
zwischen dem Kern und der hydrophilen Schale, was als bewegliche
lineare Ketten in der Mizellenstruktur zurückbleibt. Regellos modifizierte
Polymere assoziieren sich jedoch in einer solchen Weise, dass sich
der hydrophobe und der hydrophile Teil des Polymers ineinander verschlingen,
so dass ein Kontakt zwischen dem Kern und dem wässrigen Medium möglich ist.
Dies ist ein wichtiges Thema, da freiliegende hydrophobe Kerne zu
einer sekundären
Aggregation polymerer Mizellen führen
können.
Die sekundäre
Aggregation wurde auch als Hypothese zur Erklärung des Vorhandenseins großer Teilchen
(> 100 nm) in Mizellensystemen
aus konjugiertes Doxorubicin (DOX) tragendem PEO-P(Asp) vorgeschlagen.
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4.2 Ermittlung der kritischen
Assoziationskonzentration (CAC)
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Die
Lichtstreuung wird häufig
zur Ermittlung des Molekulargewichts und der Aggregationszahl von
Mizellen verwendet. Der Beginn der Mizellenbildung kann jedoch nur
festgestellt werden, wenn die CAC in den Empfindlichkeitsbereich
der Lichtstreuungsmethode fällt.
Dies ist bei Polymeren in Wasser selten der Fall. Gelchromatographie
(GPC) unter wässrigen
Bedingungen kann eingesetzt werden, da einzelne Ketten und Mizellenfraktionen
von Copolymeren unterschiedliche Elutionsvolumina zeigen. Gleichzeitig
kann durch GPC auch das Molekulargewicht der Mizellen und ihre Aggregationszahl
ermittelt werden. Es ist wichtig, dass die Unversehrtheit polymerer
Mizellen während
ihrer Elution durch die Größenausschlusssäule erhalten
bleibt. Die Adsorption des Polymers an der Säule kann ebenfalls ein Problem
darstellen, vor allem bei Konzentrationen nahe der CAC, wo die Mizellen
aus großen
losen Ansammlungen bestehen.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zur Ermittlung der CAC beinhaltet die Verwendung
fluoreszierender Sonden, wovon Pyren weitverbreitet ist. Pyren ist
ein kondensierter aromatischer Kohlenwasserstoff, der stark hydrophob
und empfindlich ist gegenüber
der Polarität
der umliegenden Umgebung. Unter der CAC wird Pyren in Wasser, einem
Medium hoher Polarität,
solubilisiert. Wenn Mizellen gebildet werden, scheidet sich Pyren vorzugsweise
zu dem durch den Mizellenkern gebildeten hydrophoben Bereich hin
ab und ist so einer nichtpolaren Umgebung ausgesetzt. Infolgedessen
sind zahlreiche Änderungen
festzustellen, wie zum Beispiel eine Zunahme der Intensität der Fluoreszenz,
eine Änderung
in der feinen Schwingungsstruktur des Emissionsspektrums und eine
Rotverschiebung der (0,0)-Bande in dem Anregungsspektrum. Die scheinbare
CAC erhält
man aus der graphischen Darstellung der Fluoreszenz von Pyren, dem
I1/I3-Verhältnis aus
dem Emissionsspektrum oder dem I338/I333-Verhältnis
aus dem Anregungsspektrum im Vergleich zur Konzentration. Eine größere Änderung
in der Steigung der Kurve deutet auf den Beginn der Mizellenbildung
hin. Das I1/I3-Verhältnis ist
das Intensitätsverhältnis zwischen
dem allerhöchsten
und dem dritthöchsten
Peak der Energieemission und wird bei einer konstanten Anregungswellenlänge und
bei veränderlichen
Emissionswellenlängen
entsprechend I1 und I3 gemessen.
Die mit Fluoreszenzverfahren ermittelte CAC muss aus zwei Gründen sorgfältig interpretiert
werden. Erstens sollte die Konzentration von Pyren extrem niedrig
gehalten werden (10–7 M), so dass eine Änderung
in der Steigung der Kurve präzise
festgestellt werden kann, wenn es zur Mizellenbildung kommt. Zweitens
ist eine allmähliche Änderung
im Fluoreszenzspektrum manchmal dem Vorhandensein hydrophober Verunreinigungen
oder der Assoziation der Sonde mit einzelnen Polymerketten oder
prämizellaren Ansammlungen
zuzuschreiben. Änderungen
in der Anisotropie fluoreszierender Sonden wurden ebenfalls mit dem
Beginn der Mizellenbildung in Verbindung gebracht.
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Polymere
Mizellen wie jene der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen sind
gekennzeichnet durch ihre geringe Größe (10-100 nm). Diese geringe
Größe wird
nicht nur zur Extravasation der Trägermaterialien benötigt, sondern
erlaubt es außerdem,
dass die Sterilisation der Zusammensetzung einfach durch Filtration erfolgt,
und minimiert die Gefahr einer Embolie in Kapillaren. Diese Situation
findet man nicht bei größeren Arzneimittelträgern. Die
Mizellengröße hängt von
mehreren Faktoren ab, einschließlich
dem Molekulargewicht des Copolymers, dem relativen Anteil von hydrophilen
und hydrophoben Ketten und der Aggregationszahl. Die Größe der durch
Dialyse hergestellten Mizellen kann durch das zum Lösen des
Polymers verwendete organische Lösungsmittel
beeinträchtigt
werden.
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Den
Mizellendurchmesser und die Polydispersität der Größe erhält man direkt in Wasser oder
in einem isotonen Puffer durch dynamische Lichtstreuung (DLS). DLS
liefert auch Informationen über
die Sphärizität polymerer
Mizellen.
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Die
Mizellengröße kann
auch duch Verfahren wie Rasterkraftmikroskopie (AFM), Transmissionselektronenmikroskopie
(TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) geschätzt werden.
Diese Verfahren erlauben die Charakterisierung der Mizellenform
und Größendispersität. Untersuchungen
der Ultrazentrifugationsgeschwindigkeit werden manchmal durchgeführt, um
die Polydispersität
polymerer Mizellen zu ermitteln.
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4.3 Einbringen therapeutischer
Mittel in polymere Mizellen
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Das
Einbringen eines therapeutischen Mittels in die Mizellen kann nach
dem Fachmann wohlbekannten Verfahren realisiert werden. Das Einbringen
kann zum Beispiel erfolgen durch Lösen der Verbindung in einer
vorgeformte Mizellen enthaltenden Lösung, nach dem Öl-in-Wasser-Verfahren
oder nach dem Dialyseverfahren.
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Therapeutische
Mittel, die verwendet werden können,
sind alle Verbindungen, einschließlich der nachfolgend aufgeführten, die
auf stabile Weise in polymere Mizellen eingeschlossen werden können und
in einer therapeutisch wirksamen Dosis verabreicht werden können. Vorzugsweise
sind die gemäß der Erfindung
verwendeten therapeutischen Mittel hydrophob, um effizient in die
Mizellen eingebracht zu werden. Es kann jedoch möglich sein, stabile Komplexe
zwischen ionischen Mizellen und entgegengesetzt geladenen hydrophilen
Verbindungen wie zum Beispiel komplementären Oligonucleotiden zu bilden.
Geeignete Arzneimittel sind zum Beispiel Antitumorverbindungen wie
Phthalocyanine (z.B. Aluminiumchloridphthalocyanin), Anthracycline (z.B.
Doxorubicin (DOX)), schlecht lösliche
Antimetabolite (z.B. Methotrexat, Mitomycin, 5-Fluoruracil) und
Alkylierungsmittel (z.B. Carmustin). Mizellen können auch Taxane wie Paclitaxel
enthalten.
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Weitere
Arzneimittel, die in Mizellen enthalten sein können, sind herkömmliche
hydrophobe Antibiotika und Antimykotika wie Amphotericin B, schlecht
wasserlösliche
Immunmodulatoren wie Cyclosporin, schlecht wasserlösliche antivirale
Arzneimittel wie HIV-Proteasehemmer und schlecht wasserlösliche steroidale
(z.B. Dexamethason) und nichtsteroidale (z.B. Indomethacin) entzündungshemmende
Arzneimittel und Genomfragmente.
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Ferner
können
Arzneimittel in die erfindungsgemäßen polymeren Mizellenzusammensetzungen
mittels chemischer Konjugation oder durch physikalischen Einschluss
mittels Dialyse, durch Emulgierungsverfahren, einfache Äquilibrierung
von Arzneimittel und Mizellen in einem wässrigen Medium oder Solubilisierung
einer festen Arzneimittel/Polymer-Dispersion in Wasser eingebracht
werden.
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Hydrophile
Verbindungen wie Proteine können
ebenfalls in die erfindungsgemäßen polymeren
Mizellenzusammensetzungen eingebracht werden. Das Einbringen solcher
hydrophilen Arten kann jedoch die chemische Hydrophobierung des
Moleküls
oder eine spezielle Affinität
für die
hydrophile Schale erfordern. Polyionische Verbindungen können durch
Bildung komplexer polyionischer Mizellen eingebracht werden.
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Der
physikalische Einschluss von Arzneimitteln wird im Allgemeinen durch
ein Dialyseverfahren oder über
eine Öl-in-Wasser-Emulsion
durchgeführt.
Das Dialyseverfahren besteht darin, dass das Arzneimittel und das
Copolymer von einem Lösungsmittel,
in dem sie beide löslich
sind, wie zum Beispiel Ethanol oder N,N-Dimethylformamid, zu einem
Lösungsmittel
gebracht werden, das nur für
den hydrophilen Teil des Polymers selektiv ist, wie zum Beispiel
Wasser. Wenn das gute Lösungsmittel
durch das selektive ersetzt wird, assoziiert sich der hydrophobe
Teil des Polymers zu dem Mizellenkern, in den im Verlauf des Verfahrens
das unlösliche Arzneimittel
eingebracht wird. Das vollständige
Entfernen des organischen Lösungsmittels
erreicht man durch Ausdehnen der Dialyse über mehrere Tage. Bei dem Verfahren
mit der Öl-in-Wasser-Emulsion
wird eine Lösung
des Arzneimittels in einem wasserunlöslichen flüchtigen Lösungsmittel, wie zum Beispiel
Chloroform, einer wässrigen
Lösung
des Copolymers zugesetzt, um eine Öl-in-Wasser-Emulsion zu bilden.
Das Konjugat aus Mizellen und Arzneimittel wird gebildet, wenn das
Lösungsmittel
verdampft. Der Hauptvorteil des Dialyseverfahrens gegenüber dem
letzteren Verfahren besteht darin, dass die Verwendung potenziell
toxischer Lösungsmittel
wie chlorierten Lösungsmitteln
vermieden werden kann.
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Der
Vorgang der Zugabe des Arzneimittels kann die Verteilung eines Arzneimittels
in der Mizelle beeinflussen. Cao et al. (Macromolecules 24 (1991)
6300-6305) haben zum Beispiel gezeigt, dass Pyren, das Mizellen
während
ihrer Bildung zugegeben wurde, nicht so gut vor der wässrigen
Umgebung geschützt
war wie Pyren, das nach Bildung der Mizellen zugegeben wurde, wenngleich
das erste Verfahren eine dreimal höhere Arzneimittelbeladung ergab
als das zweite Verfahren.
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Der
Wirkungsgrad des Einschlusses in den erfindungsgemäßen polymeren
Mizellen hängt
ab von der Ausgangsmenge des zugesetzten Arzneimittels. Wenn die
maximale Beladungskapazität überschritten
wird, führt
dies zum Ausfallen des therapeutischen Mittels und folglich zu einer
geringeren Ausbeute. Ferner hängt der
Beladungswirkungsgrad des therapeutischen Mittels von der Aggregationszahl
des Copolymers ab. Bei Mizellen mit einer höheren Aggregationszahl kann
eine größere Menge
an Arzneimittel in ihrem inneren Kern solubilisiert werden.
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4.4 Beispiele für polymere
Mizellen, denen ein therapeutisches Mittel zugesetzt ist
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Vergleichsbeispiele
für Verbindungen,
die polymeren Mizellen zugesetzt sind, sowie der entsprechende Vorgang
der Arzneimittelzugabe sind in Tabelle 1 angegeben. Die erfindungsgemäßen polymeren
Mizellenzusammensetzungen gelten als geeignet zur Verwendung als
Transportsystem für
einen weiten Bereich an therapeutischen Mitteln, einschließlich unter
anderem Arzneimittel gegen Krebs, Plasmid-DNA, komplementäre Oligonucleotide,
oder zum Transport von Diagnosemitteln zu einem speziellen Organ
im Körper. Tabelle
1
- k.A.: keine Angaben; P: physikalischer
Einschluss; C: chemische Bindung; EA: elektrostatische Anziehung
- * nach Ultraschallbehandlung der PEO(C16,
BLA)-Aggregate
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Einen
Nachweis für
die Arzneimittelaufnahme erhält
man durch GPC oder DLS, da beide Verfahren Änderungen in der Mizellengröße erfassen.
Die Gegenwart von Arzneimitteln ist normalerweise mit einem solchen
Anstieg in der Mizellengröße verbunden.
Die Gegenwart eines Arzneimittels in dem Mizellenkern kann durch
Quench-Experimente nachgewiesen werden. Iodid (I) zum Beispiel,
das ein wasserlöslicher
Quencher für
DOX ist, beeinflusst nicht die Fluoreszenz des in die Mizellen eingebrachten
Arzneimittels, löscht
aber die Fluoreszenz des freien Arzneimittels. Diese Experimente
haben gezeigt, dass DOX nach dem Gefriertrocknen und nach Neubildung
in Wasser in PEO-PBLA gespeichert wurde. Im Fall von DOX führt die
Selbstassoziation des Arzneimittels in dem Mizellenkern außerdem zu
einer Abnahme der Stärke
der Fluoreszenz des Arzneimittels. Unlängst wurde die Speicherung
und langsame Freisetzung von Amphotericin B aus polymeren Mizellen
durch Messen der Abnahme seiner hämolytischen Wirksamkeit nach
Einbau in PEO-PBLA-Mizellen indirekt bestätigt.
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4.5 Pharmazeutische Anwendungen
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Die
erfindungsgemäßen polymeren
Mizellenzusammensetzungen eignen sich zur Verwendung auf einer Vielzahl
von pharmazeutischen Gebieten, wie zum Beispiel bei der oralen Verabreichung
und beim Transport von ortsspezifischen Arzneimitteln mit verzögerter Freisetzung.
Vorzugsweise werden die erfindungsgemäßen Mizellen zum Transport
wasserunlöslicher
Arzneimittel verwendet.
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5. BEISPIELE
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Materialien
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Handelsübliche Lösungsmittel
wurden bezogen von Moquin Scientific (Terrebonne, Quebec) und Reagenzien
von Aldrich (Milwaukee, WI). N-vinyl-2-pyrrolidon (VP), 2-Isopropoxyethanol,
Kaliumhydrid (KH) 35 Gew.-% in Mineralöl und 18-crown-6 wurden ohne
weitere Reinigung verwendet. D,L-Lactid wurde dreimal aus wasserfreiem
Ethylacetat bei 60°C
auskristallisiert und dann bei Raumtemperatur 24 Stunden unter vermindertem
Druck über
P2O5 getrocknet.
Tetrahydrofuran (THF) wurde unmittelbar vor Gebrauch über Natrium
und Benzophenon unter einer trockenen Argonatmosphäre refluxiert
und destilliert.
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1,1'-Azobis(cyclohexan-carbonitril)
(ACCN) wurde durch Ausfällen
in Wasser aus einer Ethanollösung gereinigt
und 4 Tage im Vakuum getrocknet. Sepharose 2B wurde von Sigma (Saint
Louis, MO) beschafft und vor Gebrauch mit Wasser äquilibriert.
Die bei der Mizellenherstellung verwendeten Dialysebeutel waren
Spectra/Por-Membranen (Rancho Dominguez, CA), MWCO 6000-8000. Alle
Reaktionen wurden in Rundkolben durchgeführt, die zuvor mit einer Flamme
erhitzt worden waren und die unter einer trockenen Argonatmosphäre mit einem
Gummiseptum ausgestattet wurden.
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Das
Molekulargewicht wurde durch Gelchromatographie (GPC, Waters Modell
600, Milford, MA) mit einem Softwareprogramm von Millenium ermittelt.
Es wurden drei Styragel-Säulen
(Waters, HR1, HR3, HR4, 4,6 × 300
mm) und ein Differentialrefraktometerdetektor (Waters 2410) verwendet.
Die mobile Phase war CHCl3 (30°C und 1 ml/min).
Die Säulenkalibrierung
wurde mit Polystyrolstandards (Aldrich, Milwaukee, WI) durchgeführt. Die 1H- und 13C-NMR-Spektren
wurden auf Spektrometern der Marke Varian 300 und Brucker AMX 600
in deuteriertem Chloroform aufgezeichnet.
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Die
kritische Assoziationskonzentration (CAC) wurde nach einer quasistationären Methode
der Pyrenfluoreszenz ermittelt. Es wurde bereits gezeigt, dass es
im Anregungsspektrum von Pyren bei zunehmenden Konzentrationen amphiphiler
Polymere in einer wässrigen
Lösung
von Pyren eine Verschiebung der (0,0)-Bande von 333 nach 338,5 nm gibt. Diese
durch das Intensitätsverhältnis I338/I333 gemessene Änderung
geht einher mit dem Übergang
der Pyrenmoleküle
von einer wässrigen
Umgebung zu den hydrophoben Mizellenkernen und kann zur Schätzung der
scheinbaren CAC herangezogen werden. Es wurden mehrere Polymerlösungen in
Wasser hergestellt, die eine unterschiedliche Polymerkonzentration
hatten, aber jeweils 10–7 M Pyren enthielten,
und sie wurden über
Nacht im Dunkeln bei 4°C
gerührt.
Stationäre
Fluoreszenzspektren (λem = 390 nm) wurden nach 5-minütigem Rühren bei
20°C mit
einem Fluorimeter der Marke Aminco Bowman Serie 2 (Spectronics Instruments
Inc., Rochester, NY) gemessen. Die Mizellengröße wurde in Wasser und PBS
bei 20°C durch
dynamische Laserstreuung (DLS) mit Hilfe einer Intensitätsanalyse
mit einem unimodalen und differentiellen Größenverteilungsprozessor (SDP)
(N4Plus, Coulter Electronics, Hialeah, FL) ermittelt.
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Herstellung
von PVP-OH
-
PVP
(PVP-OH) mit endständigen
Hydroxygruppen wurde hergestellt durch radikalische Polymerisation
unter Verwendung von 2-Isopropoxyethanol als Kettenübertragungsmittel.
VP (5 ml, 47 mmol) und ACCN (0,11 g, 0,45 mmol) wurden in 60-300
ml 2-Isopropoxyethanol solubilisiert. Diese Lösungen wurden mit Argon entgast.
Die Polymerisation wurde bei 80°C
unter Rühren
in einer trockenen Argonatmosphäre
für 24
Stunden durchgeführt.
Nach dem Verdampfen von 2-Isopropoxyethanol
wurde das Polymer in einem Überschuss
von Diethylether ausgefällt.
Das so erhaltene weiße
Pulver wurde dreimal durch Solubilisieren in der Mindestmenge an
CH2Cl2 gereinigt
und erneut aus Diethylether ausgefällt und schließlich im
Vakuum getrocknet.
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Charakterisierung von
PVP-OH
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- 1H NMR δ(ppm): 1,15 (m, CH3),
3,5-4 (breites Signal, CH PVP)
- 13C NMR δ(ppm): 175 (C=0 PVP), 63,05
(CH2OH)
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Tabelle
1: Durchschnittliche Molekulargewichte von PVP
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Die
durchschnittlichen Molekulargewichte von PVP-OH sind in Tabelle
1 angegeben. Es ist festzustellen, dass das Molekulargewicht abnimmt,
wenn das Volumenverhältnis
von Lösungsmittel/VP
zunimmt.
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Herstellung
des Blockcopolymers PVP-PDLLA
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Das
Blockcopolymer erhielt man durch anionische Ringöffnungspolymerisation.
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KH
(0,567 g, 14 mmol) wurde unter Argonspülung in einen Rundkolben gegeben.
Wasserfreies THF wurde über
eine Nadel mit zwei Spitzen zugegeben, die resultierende Dispersion
wurde kurz gerührt,
und dann wurde THF entfernt. 30 ml THF wurden dem Kolben zugesetzt,
und die Dispersion wurde auf 0°C
abgekühlt. PVP-OH
(1,5 g), das zuvor 24 Stunden im Vakuum bei 60°C über P2O5 getrocknet wurde, wurde bei 60°C in 30 ml
THF solubilisiert. Diese Lösung
wurde mit Hilfe einer Nadel mit zwei Spitzen der gerührten Dispersion zugesetzt,
und die resultierende Lösung
wurde 1 Stunde auf 0°C
gehalten. Nach Erwärmung
auf Raumtemperatur wurde 4 Stunden weitergerührt. Die Dispersion wurde in
einen weiteren Kolben geleitet, und 18-crown-6 (0,085 g, 0,32 mmol)
wurde bei Raumtemperatur zugesetzt und 30 min gerührt. Die
Polymerisation von D,L-Lactid wurde ausgelöst durch rasches Einleiten
von D,L-Lactid (1,5 g, 10 mmol), das in 20 ml THF gelöst war.
Nach 16 Stunden wurde die Polymersation durch Zugabe von 1 ml Essigsäure und
5 ml Wasser beendet. Die Polymerlösung wurde 24 Stunden bei 4°C gegen Wasser
dialysiert, um Mizellen zu bilden Nach der Dialyse wurde die Lösung 30
min bei 40790 × g
zentrifugiert, um jegliches Poly(D,L-lactid)-Homopolymer (PDLLA) zu entfernen. Der Überstand
wurde eingefroren und in einem Gefriertrocknungssystem (Labconco,
Modell 77535, Kansas City, Missouri) lyophilisiert. Das gefriergetrocknete
Pulver wurde in Wasser wieder solubilisiert, und freies PVP-OH wurde
entfernt, indem es über
eine Sepharose 2B-Säule
(Pharmacia, 1 × 40
cm) geleitet wurde. Die Mizellenlösung wurde eingefroren, 2 Tage
lyophilisiert und bis zum Gebrauch bei –20°C gelagert.
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Charakterisierung von
PVP-PDLLA
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- 1H NMR δ(ppm): 5,2 (m, CH PDLLA), 3,5-4
(breites Signal, CH PVP)
- 13C NMR δ(ppm): 175 (C=0 PVP), 169 (C=0
PDLLA), 69,8 (CH-CH3 PDLLA), 17,2 (CH-CH3 PDLLA)
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Tabelle
2: Charakterisierung von PVP-PDLLA und polymeren Mizellen
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- a: ermittelt durch GPC
- b: aus unimodaler Analyse
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Es
wurden mehrere PVP-PDLLA-Blockcopolymere mit veränderlichen Zusammensetzungen
synthetisiert. Wie in Tabelle 2 gezeigt, lag die Durchschnittsgröße der Mizelle
zwischen 44 und 168 nm bei niedriger CAC. Probe 3a, mit dem kürzesten
PLA-Segment, ergab die höchste
CAC. Die Größenverteilung
war jedoch nicht unimodal, wie eine SDP-Analyse ergab (Tabelle 3).
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Tabelle
3: Größenverteilung
von PVP-PDLLA-Mizellen, Intensitätsanalyse
mittels SDP
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Wie
in Tabelle 3 gezeigt, ergaben alle Proben Mizellen mit einer bimodalen
Verteilung, die Größe der kleinen
Partikel lag zwischen 26 und 124 nm, und die Größe der größeren Aggregate lag zwischen
106 und 416 nm.
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Um
den Wirkungsgrad des Arzneimitteleinschlusses zu untersuchen, wurde
Indomethacin in PVP-PDLLA-Mizellen und zum Vergleich in PEG-PDLLA-Mizellen
eingeschlossen, wie in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle
4: Einbau von Indomethacin in polymere Mizellen.
- PEG-PDLLA (63:37 Gew.-%) Mn = 7900, mittlerer
Durchmesser (unimodale Analyse) = 110 ± 42 nm
- PVD-PDLLA (60:40 Gew.-%), Mn = 6600, mittlerer Durchmesser (unimodale
Analyse) = 106 ± 45
nm
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Die
angegebenen Daten sind das Mittel von 3 Messungen ± Standardabweichung.
Das Arzneimittel und das Copolymer wurden in N,N-Dimethylformamid
(DMF) gelöst
und 24 Stunden im Dunkeln gegen Wasser dialysiert. Die Lösungen wurden
durch einen Filter mit einer Porengröße von 0,22 μm gefiltert
und gefriergetrocknet. Der Indomethacingehalt wurde ermittelt durch
Messen der UV-Absorption
der Mizellenlösung
in DMF bei 320 nm unter Verwendung eines Diodenarray-Spektralphotometers
Hewlett Packard 8452A (Boise, ID).
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Der
Wirkungsgrad des Indomethacineinschlusses in PVP-PDLLA- und PEG-PDLLA-Mizellen war
bei einer niedrigen Arzneimittelkonzentration ähnlich. Bei einem höheren Arzneimittelgehalt
war der Einschlusswirkungsgrad von PVP-PDLLA-Mizellen besser als bei PEG-PDLLA-Mizellen
(bei Betrachtung von Copolymeren mit demselben Molekulargewicht).
Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass
das Arzneimittel bei niedrigen Arzneimittelanteilen zunächst in
den Kern aufgenommen wird und dann, bei höheren Anteilen, in die hydrophile
PVP-Schale aufgenommen wird.