WO2018130247A1 - Nanostrukturiertes wirkstoffträgersystem - Google Patents

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WO2018130247A1
WO2018130247A1 PCT/DE2018/100012 DE2018100012W WO2018130247A1 WO 2018130247 A1 WO2018130247 A1 WO 2018130247A1 DE 2018100012 W DE2018100012 W DE 2018100012W WO 2018130247 A1 WO2018130247 A1 WO 2018130247A1
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carrier system
nanostructured
polymer
complexing
active ingredient
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PCT/DE2018/100012
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Anja TRÄGER
Anne-Kristin Trützschler
Tanja Bus
Ulrich Sigmar Schubert
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Friedrich-Schiller-Universität Jena
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    • A61K9/5153—Polyesters, e.g. poly(lactide-co-glycolide)

Definitions

  • the invention relates to a nanostructured drug carrier system, in particular for reducing cytotoxic properties due to transport, for interacting with cell membranes during transport of hydrophilic components and, associated therewith, for generating early endosomal leakage of the interaction complex from the carrier system.
  • the mediation of the nucleic acids can be subdivided into the following areas:
  • nucleic acids in a hydrophobic polymeric system.
  • WO 2015058111 A1 discloses a nanoparticle in which a hydrophobic active substance as well as nucleic acids, preferably siRNA, are enclosed by the interaction with hydrophobic and / or cationic-hydrophilic enveloping polymers. This formulation is used for a controlled release of the active ingredients and for the protection of the nucleic acids.
  • the disadvantage of this technical solution is that cationic hydrophobic substances and amphiphilic polymers are used.
  • the corona used may possibly lead by the use of polyethylene glycol to an immune response already on antibodies-consuming organisms.
  • the application as an anticarcinogenic therapeutic agent is intended and beneficial for a longer release of the active ingredient and yet the moderately cytotoxic polyethylenimine is used.
  • the structure of the system with more than 2 different types of polymers also makes it difficult to produce the nanoparticles.
  • micellar polymer nanoparticles with complexation of nucleic acids on the outer corona discloses the formulation of micellar polymer nanoparticles with complexation of nucleic acids on the outer corona.
  • a block having cationic charges undergoes electrostatic binding to the genetic material (Biswas, S., Deshpande, PP, Navarro, G .; Dodwadkar, NS, Torchilin, VP, lipid modified triblock PAMAM-based nanocarriers for siRNA Biomaterials 2013, 34 (4), 1289-1301 Rinkenauer, AC; Schallon, A., Guenther, U .; Wagner, M., Betthausen, E., Schubert, US; Schacher, FH, A Paradigm Change: Efficient Transfection of Human Leukemia Cells by Stimuli Responsive Multicompartment Micelles, ACS Nano 2013, 7 (11), 9621-9631 and EP 2 522 689 Al and WO 2012/156058 Al.)
  • micellar systems are dynamic systems, which below the critical micelle concentration would mean a dissolution of the system into individual polymer strands, which is not expected for nanoparticles. It would be just in the entry into organisms a micelle dissolution or restructuring to be expected before the target organ or tissue is reached.
  • the polymers used are also a triblock system, which represents an increased production and characterization effort.
  • the complexation of the nucleic acids on the outer corona leads to an increased risk of decomposition of the nucleic acid by nucleases despite complexation.
  • micellization by inclusion of nucleic acids in the inner hydrophilic core of nanocarriers are known.
  • the formulation method used here is an intensive mixing of the components used (Osawa, S. Osada, K., Hiki, S., Dirisala, A., Ishii, T., Kataoka, K., Polyplex Micelles with Double- Protective Compartments of Hydrophilic Shell and Thermoswitchable Palisade of Poly (oxazoline) -Based Block Copolymers for Promoted Gene Transfection, Biomacromolecules 2016, 17 (1), 354-361; Feng, G., Chen, H .; Li, J .; Huang Gupte, MJ; Liu, H .; Song, Y .; Ge, Z., Gene therapy for nucleus pulposus regeneration by heme oxy genesis- 1 plasmid DNA carried by mixed polyplex micelles with thermo-responsive heterogeneous coronas 2015, 52, 1-13).
  • micellar systems show the same disadvantages which have already been mentioned above. For the mentioned micellar tube systems, a combination and thus in the production of the use of multiple block copolymers is also necessary.
  • nucleic acids include nucleic acids, for example:
  • nucleic acid formulations in nanoparticulate carrier systems consisting of cationic-hydrophilic and hydrophobic components
  • a high transfection efficiency can be achieved.
  • polymeric enveloping substances, homopolymers and block copolymers with amphiphilic character, and lipids are used.
  • formulations with low cytotoxicity are used.
  • the particles thus produced show high transfection efficiencies, high stability or preferred solubilities of the polyplexes.
  • the multicomponent carrier systems are made using polyethylene glycol-lipid conjugates and block copolymers and thus are also affected by the growing number of antibody-carrying organisms.
  • WO 2015035974 A1 discloses, for example, a nanostructured carrier system which comprises at least one polymer and / or at least one lipid and at least one polymethine dye, wherein the at least one polymethine dye acts as a targeting unit for the targeted transport of the nanostructured carrier system into a target tissue.
  • the disadvantage of this solution is that in this case a specific targeting is the goal and thus there is no accelerated endosomal outlet or drug delivery.
  • a use without the coloring properties of polymethine dyes is also much more pleasant for the end user.
  • Another disadvantage is the limited interaction of polyethyleneimine with membranes.
  • protein dimers and lipoid structures could be shown as complexing agents for the nanoparticulate core.
  • the disadvantage of this technical solution is the use of 2b protein, which is a protein from a tomato plant-infecting virus.
  • the use of these virus proteins is always an irritability of the immune system.
  • the preparation of the shell polymer by the additional conjugation with cholesterol and the associated targeting or shielding effect also represents a further working step and thus leads to high production costs.
  • WO 2010142660 A1 discloses a pharmaceutically active formulation in the form of microparticles of defined size comprising siRNA, a highly hydrophobic biodegradable polymer and a cationic lipid which functions both as an amphipathic emulsifier and as a siRNA binding moiety, the siRNA and the cationic lipid are encapsulated in the microparticle.
  • microparticles can cause a difficult uptake in cell tissue. These are preferably taken up by immune cells and degraded, which should normally be prevented.
  • lipids in the Wording partly a complicated large-scale production with itself. The particles are therefore also intended for pulmonary uptake, that is to say the intake via the respiratory tract, and here too do not depend on a chronologically determined uptake.
  • the known carrier systems for the transport of nucleic acids show in their entirety good transfection properties.
  • Another disadvantage is that there is often no interaction with the genetic material prior to micelle or particle formation.
  • the preparation processes for the carrier systems according to the prior art have the disadvantage that the preparation takes place by means of mixing in solution, the micelle formation by means of mixing in solution or dropwise addition in solution and twice the emulsion process (hydrophilic / hydrophobic / hydrophilic) are used, so that no inclusion process with prior complexation of the drug and subsequent nanoprecipitation of two solutions is possible.
  • polymers and polymer-lipid derivatives known from the prior art have one or more hydrophobic subsections and one or more hydrophilic subsections, so that these polymers or derivatives require a more elaborate preparation in order to produce nanoscale carrier systems.
  • the object of the present invention is to provide a nanostructured active substance carrier system which avoids the above-mentioned disadvantages of the prior art and in particular allows a reduction of cytotoxic properties due to the formulation via the transport route.
  • the nanostructured drug delivery system to be provided will allow interactions with cell membranes during the transport of hydrophilic components and, associated therewith, the generation of early endosomal leakage of the interaction complex from the carrier system.
  • composition which contains a nanostructured active ingredient carrier system according to the invention and suitable auxiliaries and additives.
  • Nanoparticles are structures that are smaller than 1 ⁇ and can be composed of several molecules. They are generally characterized by a higher surface to volume ratio and thus offer a higher chemical reactivity. These nanoparticles can consist of polymers.
  • Polymers are characterized by the repetition of certain units (monomers), but may also consist of several different repeat units.
  • the monomers are covalently bonded together (polymerization) by the chemical reaction and form the so-called polymer backbone at the linking polymerisable unit.
  • the unconnected groups form the side chains where functional groups can be located. If these polymers have some hydrophobic properties, they can form nanoscale structures (eg nanoparticles, micelles, vesicles) in an aqueous environment.
  • shell polymer is meant one or more different polymers which are in layers or as a blend to form a random mixture of two or more polymers a hydrophobic nanostructured drug carrier system in which an interaction complex is included and / or incorporated.
  • reaction complex is meant a complex formed by electrostatic interaction of one or more hydrophilic agents and one or more complexing polymers.
  • Active ingredient describes at least one pharmaceutical active ingredient selected from the group consisting of low molecular weight substances, inhibitors, inducers or contrast agents, and in particular also of higher molecular weight substances, eg.
  • the hydrophilic agents potentially therapeutically useful nucleic acids (eg interferin RNA, short hairpin RNA, microRNA, plasmid DNA) and proteins (eg antibodies, interferons, cytokines).
  • pharmaceutically active substance is understood to mean any inorganic or organic molecule, substance or compound that has a pharmacological effect.
  • pharmaceutical active substance is defined herein by the term “medicament” and “medicament”. used synonymously.
  • the active pharmaceutical ingredients may be those which have little or no bioavailability without inclusion in a nanoparticle or a liposome or have little or no stability in vivo.
  • the essence of the invention is that a nanostructured drug delivery system in the form of a shell polymer enclosed, highly reactive nucleic acid polymer complex u.a. provided for gene transport.
  • This nanostructured drug carrier system in the form of a particle consists of a carrier shell, wherein the carrier shell at least one or more hydrophobic shell polymers, one or more charged complexing polymers and one or more hydrophilic active ingredients wherein the complexing polymer interacts with the drug.
  • the at least one shell polymer is selected from the group consisting of polyesters, poly (meth) acrylates, polystyrene derivatives, polyamides, polyurethanes, polyacrylonitriles, polytetrafluoroethylenes, silicones, polyethylene glycols, polyethylene oxides and polyoxazolines and their copolymers in various compositions, such as. Random, gradient, alternating, block, graft or star copolymers.
  • the at least one shell polymer is a biocompatible polymer.
  • the at least one shell polymer is particularly preferably a hydrophobic, biodegradable polymer, particularly preferably selected from the group consisting of PLGA, PLA, PCL, PGA, PEG or POX.
  • the “complexing polymer” represents one or more hydrophilic polymers, which are able by electrostatic interaction to be able to represent an interaction complex with one or more hydrophilic active ingredients.
  • the complexing polymer consists of linear, water-soluble, cationic polymers in a proportion of 0 to 70% secondary amine functionalities in the polymer backbone.
  • This at least one complexing polymer is selected from the group consisting of polypeptides, poly (meth) acrylates, polystyrene derivatives, polyamides, polyurethanes, polyacrylonitriles, polyethylene glycols, polyethylene oxides and polyoxazolines and their copolymers in various compositions, such as.
  • the invention expressly excludes the use of polyethyleneimine.
  • nanoparticle as part of the nanostructured drug carrier system takes place as follows:
  • this nanostructured drug carrier system allows a reduction in cytotoxic properties, interactions with cell membranes during transport of hydrophilic components, and thus the generation of early endosomal leakage of the interaction complex from the carrier system resulting in optimal drug release.
  • Another object of the present invention relates to a pharmaceutical composition
  • a pharmaceutical composition comprising such a nanostructured drug carrier system and suitable auxiliaries and additives.
  • auxiliaries and additives means any pharmacologically acceptable and therapeutically meaningful substance which is not a pharmaceutical active substance but can be formulated together with the pharmaceutical active substance in the pharmaceutical composition in order to influence, in particular to, qualitative properties of the pharmaceutical composition improve.
  • the auxiliaries and / or additives do not develop any significant or at least no undesirable pharmacological effect with regard to the intended treatment.
  • auxiliaries and additives are, for example, pharmaceutically acceptable inorganic or organic acids, bases, salts and / or buffer substances.
  • inorganic acids are hydrochloric acid, hydrobromic acid, nitric acid, sulfuric acid and phosphoric acid, with hydrochloric acid and sulfuric acid in particular being preferred.
  • suitable organic acids are malic acid, tartaric acid, maleic acid, succinic acid, acetic acid, formic acid and propionic acid and particularly preferably ascorbic acid, fumaric acid and citric acid.
  • suitable organic acids are malic acid, tartaric acid, maleic acid, succinic acid, acetic acid, formic acid and propionic acid and particularly preferably ascorbic acid, fumaric acid and citric acid.
  • pharmaceutically acceptable bases are alkali hydroxides, alkali metal carbonates and alkali ions, preferably sodium. Mixtures of these substances can be used in particular for adjusting and buffering the pH.
  • Preferred buffer substances are also PBS, HEPES, TRIS, MOPS and other physiologically acceptable buffer substances.
  • auxiliaries and additives are solvents or diluents, stabilizers, suspending agents,
  • Preservatives fillers, cryoprotectors, emulsion mediators and / or binders and other conventional auxiliaries and additives known in the art.
  • the choice of excipients and the amounts of them to be used will depend on the pharmaceutical active and the mode of administration.
  • a nanostructured active substance carrier system which forms the pharmaceutical composition with the suitable auxiliaries and additives, can be carried out, for example, by the double emulsion method known per se.
  • the nanostructured drug carrier system and the pharmaceutical composition comprising such a nanostructured drug carrier system and suitable auxiliaries and additives, represent a hitherto unique, multiple combinable therapeutic systems to transport a variety of substances, especially pharmaceutical agents (eg nucleic acids but also phydrophilic molecules) into a cell, wherein the combination with the interaction complex leads to an early endosomal leakage.
  • pharmaceutical agents eg nucleic acids but also phydrophilic molecules
  • the safe transport into the cell is realized by the coat protein and the interaction complex.
  • the result is a fast endosomal exit, which is ensured by the interaction of the interaction complex with the endosomal membrane. In this way it is possible to efficiently and rapidly introduce and release one or more drugs into cells.
  • FIG. 1 the molecular weights and polydispersities of the Boc-protected polymers determined by a) SEC (DmAc, 0.21% LiCl, PMMA calibration) and b) the degree of polymerization determined by means of SEC and ⁇ -NMR spectroscopy,
  • FIG. 2 the elution diagram of size exclusion chromatography of the Boc-protected polymers taken by means of refractive index detection
  • FIG. 3 the reaction scheme of the complexing polymer preparation according to exemplary embodiment 1,
  • FIG. 4 the reaction scheme of the cleavage reaction of the Boc group according to exemplary embodiment 2
  • FIG. 5 the 2-D HSQC-NMR of the cleavage reaction of the Boc group according to exemplary embodiment 2,
  • FIG. 6 the elution diagram of the size exclusion chromatography of the complexing polymers taken by means of
  • FIG. 7 the molecular weights and polydispersities of the Boc-protected polymers determined by a) AF4 by MALS detection, b) and c) by means of SEC (0.1% TFA, 0.1M NaCl Dextran calibration / c DmAc, 0.21% LiCl, PMMA calibration) and d)
  • the degree of polymerization is determined by means of AF4 and ⁇ -NMR spectroscopy.
  • the pKA value of the polymers is determined from the titration,
  • FIG. 8 the titration curves of the complexing polymers 2 to 7 in a diagram against the total volume of the titration used
  • FIG. 9 the superimposition of the ⁇ - ⁇ spectra A) copolymer of the complexing polymers with Boc group B)
  • Fig. IA the size of the particles produced directly after the preparation and removal of the solvent and after lyophilization and resuspension in ultrapure water
  • FIG. 1B the polydispersity of the particles produced directly after the preparation and removal of the solvent and after freeze-drying and resuspension in ultrapure water
  • Fig. HC the zeta potential of the particles produced directly after the preparation and removal of the solvent and after freeze-drying and resuspension in ultrapure water.
  • FIG. 12A the relative viability of L929 fibroblast cells, 24 h after the addition of interaction complexes,
  • FIG. 12B the relative viability of L929 fibroblast cells, 24 h after the addition of nanoparticles (B) in the corresponding concentrations,
  • FIG. 13 the time-dependent uptake of the interaction complexes PI to P6 in HEK cells
  • FIG. 14 the time-dependent uptake of P6 and siRNA encapsulated nanoparticles in HEK cells compared to PEI nanoparticles
  • FIG. 15 the transfection efficiency of the interaction polyplexes with GFP-coded pDNA in HEK cells under the influence of serum-reduced medium (OptiMEM) and serum-containing standard growth medium (RPMI).
  • OptiMEM serum-reduced medium
  • RPMI serum-containing standard growth medium
  • BocAEMA N-ieri-butyloxycarbonyl- (2-aminoethyl) methacrylates
  • BocMAEMA N-methyl-N-tert-butyloxycarbonyl- (2-aminoethyl) methacrylates
  • DMAEMA N-Dimethyl (2-aminoethyl) methacrylates
  • reaction solution is then heated with stirring in an oil bath preheated to 70 ° C. for 38 h.
  • the copolymer is precipitated twice from tetrahydrofuran in n-hexane and dried under reduced pressure.
  • Fig. 1 The analytical data are shown in Fig. 1, the size exclusion chromatography is shown in Fig. 2, and the synthetic scheme is shown in Fig. 4.
  • the teri-butyloxycarbonyl (Boc) protected polymers are deprotected in 1M methanolic hydrochloric acid for 16 h, the solvent is removed under reduced pressure, dissolved in deionized water and freeze-dried for 24 h.
  • the synthesis scheme is shown in Fig. 3, the 2-D NMR is shown in Fig.5, the size exclusion chromatography is shown in Fig. 6, the analytical data are shown in Fig.7, and the titration curves with pK A value are shown in Fig. 8 and the ⁇ -NMR comparison of deprotection methods is shown in Fig. 9.
  • Embodiment 2 is a diagrammatic representation of Embodiment 1:
  • the particles used are prepared, for example, by means of double emulsion. High-frequency ultrasound is used, which favors the formation of nanoscale particles with the aid of the surface-active substance polyvinyl alcohol (PVA).
  • PVA polyvinyl alcohol
  • hydrophobic shell polymers are for this purpose in ethyl acetate, a with
  • a final concentration of 0.3% PVA in ultrapure water is used.
  • the interaction complex is formed beforehand from the complexing polymer and the genetic material, here the siRNA, in ultrapure water. Subsequently, a first emulsion of interaction complex and shell polymer is formed, which is subsequently transferred to water and after reuse of high-frequency ultrasound, a second emulsion is formed.
  • the particles are incubated for up to 48 h at room temperature so that the organic solvent can evaporate.
  • the particles formed are washed by centrifugation and resuspension in ultrapure water, added with 5% sucrose and frozen (-80 ° C) to be lyophilized.
  • Nanoparticles of PLGA, polymethacrylates and siRNA are reproducibly produced with constant parameters.
  • Embodiment 5 is a diagrammatic representation of Embodiment 5:
  • cytotoxicity studies are carried out according to the ISO 10993-5 protocol with mouse fibroblast cells L929.
  • the cells are seeded in DMEM growth medium (Dulbecco's modified Eagle's medium) at a cell concentration of 10 4 cells per well in a 96-well plate and incubated for 24 h at 37 ° C and 5% CO 2 .
  • DMEM growth medium Dulbecco's modified Eagle's medium
  • the medium is changed with fresh medium mixed with the reagent AlamarBlue.
  • Embodiment 6 is a diagrammatic representation of Embodiment 6
  • HEK human embryonic kidney cells
  • Polyplexes with YOYO-labeled pDNA or nanoparticles with Nile red and complexing polymer are added to the HEK cells and incubated for up to 4 h at 37 ° C, 5% C0 2 .
  • Cellular uptake is assessed by flow cytometry. A total of 10,000 cells are measured and all living cells (FSC / SSC scattering) are counted with a positive signal (FL1).
  • HEK cells are sown in microscopy vessels with glass bottom and the microscopic image of the cells takes place 1 to 4 hours after addition of the samples. Furthermore, the cell nucleus is stained with Hoechst 33342, lysosomes with LysoTracker Red DND-99 or LysoTracker Green DND-26, cell membrane with CellMask Orange plasma membrane stain.
  • Embodiment 7 is a diagrammatic representation of Embodiment 7:
  • HEK cells or a stable GFP-CHO cell line are sown in 24-well plates with a cell concentration of 10 15 cells / mL.
  • the medium is changed either with serum-reduced medium (OptiMEM) or serum-containing growth medium (RPMI 1640).
  • OptiMEM serum-reduced medium
  • RPMI 1640 serum-containing growth medium
  • Polyplexes or nanoparticles are added to the cells (50 ⁇ per well) and incubated for 4 h at 37 ° C, 5% CO 2. Thereafter, the supernatant is removed and the cells are incubated in fresh growth medium for a further 24 h to 72 h.
  • the analysis of the transfection efficiency is carried out by means of flow cytometry. For this, the cells are trypsinized and stained with propidium iodide for a live-death determination.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem, insbesondere zur Reduktion von zytotoxischen Eigenschaften aufgrund der Nutzung eines Hüllpolymers und des daraus resultierenden Transports, zur Interaktionen mit Zellmembranen während des Transports hydrophiler Bestandteile und damit verbunden der Generierung eines frühen endosomalen Austritts des Interaktionskomplexes aus dem Trägersystem. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere eine Reduktion von zytotoxischen Eigenschaften aufgrund der Nutzung eines Hüllpolymers und des daraus resultierenden Transports ermöglicht, wird dadurch gelöst, ein nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem in Form eines Partikels bestehend aus einer Trägerhülle bereitgestellt wird, wobei die Trägerhülle mindestens ein oder mehrere hydrophobe Hüllpolymere, ein oder mehrere geladene Komplexierungspolymere sowie ein oder mehrere hydrophile Wirkstoffe umfasst, wobei das Komplexierungspolymer mit dem Wirkstoff interagiert.

Description

Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem
Die Erfindung betrifft ein nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem, insbesondere zur Reduktion von zytotoxischen Eigenschaften auf Grund des Transports, zur Interaktion mit Zellmembranen während des Transports hydrophiler Bestandteile und damit verbunden der Generierung eines frühen endosomalen Austritts des Interaktionskomplexes aus dem Trägersystem.
Gemäß dem Stand der Stand der Technik ist die Verwendung von Polymeren zur Umschließung, zur Komplexierung von Nanostrukturen und / oder zur Verkapselung von Nukleinsäuren für therapeutische Zwecke sowie in der Grundlagenforschung bereits bekannt. Diese beinhaltet vor allem den Bereich der kombinierten Krebstherapie mit zusätzlicher Wirkstoffvermittlung und die Vermittlung von genetischem Material zur Proteinregulierung im Zellgewebe.
Dabei kann die Vermittlung der Nukleinsäuren in die folgenden Bereiche unterteilt werden:
i) Die Komplexierung der Nukleinsäuren mittels elektrostatischer Wechselwirkungen
und
ii) der Einschluss von Nukleinsäuren in einem hydrophoben polymeren System.
Bezüglich der Komplexierung der Nukleinsäuren mittels elektrostatischer Wechselwirkungen sind bspw. folgende technische Lösungen zu erwähnen:
WO 2015058111 AI offenbart einen Nanopartikel, in welchem ein hydrophober Wirkstoff als auch Nukleinsäuren, vorzugsweise siRNA, durch die Wechselwirkung mit hydrophoben und / oder kationisch- hydrophilen Hüllpolymeren eingeschlossen werden. Diese Formulierung wird zu einer kontrollierten Freigabe der Wirkstoffe und zum Schutz der Nukleinsäuren verwendet. Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass kationisch- hydrophobe Substanzen und amphiphile Polymere verwendet werden. Der weitere Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass die verwendete Korona unter Umständen durch die Verwendung von Polyethylenglykol zu einer Immunreaktion bereits über Antikörper verfügender Organismen führen kann.
Hinzu kommt dass durch die Anwendung als antikanzerogenes Therapeutikum eine längere Wirkstofffreisetzung gewollt und förderlich ist und das doch moderat zytotoxische Polyethylenimin verwendet wird. Der Aufbau des Systems mit mehr als 2 verschiedenen Polymerarten erschwert zudem die Herstellung der Nanopartikel.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die Formulierung von mizellaren Polymernanoträgern mit einer Komplexierung von Nukleinsäuren auf der äußeren Korona bekannt.
Dabei geht ein Block, welcher kationische Ladungen hat, eine elektrostatische Bindung mit dem genetischen Material ein (Biswas, S.; Deshpande, P. P.; Navarro, G.; Dodwadkar, N. S.; Torchilin, V. P., Lipid modified triblock PAMAM-based nanocarriers for siRNA drug co- delivery. Biomaterials 2013, 34 (4), 1289-1301. Rinkenauer, A. C.; Schallon, A.; Guenther, U.; Wagner, M.; Betthausen, E.; Schubert, U. S.; Schacher, F. H., A Paradigm Change: Efficient Transfection of Human Leukemia Cells by Stimuli-Responsive Multicompartment Micelles. ACS Nano 2013, 7 (11), 9621-9631 sowie EP 2 522 689 AI und WO 2012/156058 AI.)
Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass es sich bei mizellaren Systemen um dynamische Systeme handelt, welche unterhalb der kritischen Mizellkonzentration eine Auflösung des Systems in einzelne Polymerstränge bedeuten würde, welches bei Nanopartikeln nicht zu erwarten ist. Dabei wäre gerade bei dem Eintrag in Organismen eine Mizellauflösung oder Umstrukturierung zu erwarten bevor das Zielorgan oder Gewebe erreicht ist. Bei den verwendeten Polymeren handelt es sich zudem um ein Triblocksystem, welches einen erhöhten Herstellungs- und Charakterisierungsaufwand darstellt. Zudem führt die Komplexierung der Nukleinsäuren auf der äußeren Korona zur erhöhten Gefahr einer Zersetzung der Nukleinsäure durch Nukleasen trotz Komplexierung.
Des Weiteren sind Beispiele für eine Mizellenbildung durch Einschluss von Nukleinsäuren im inneren hydrophilen Kern von Nanoträgern bekannt.
Hierbei wird eine Komplexierung der Nukleinsäuren mit kationischen, hydrophilen Teilen von Blockcopolymeren vorgenommen. Das verwendete Formulierungsverfahren stellt sich hierbei als eine intensive Durchmischung der verwendeten Komponenten dar (Osawa, S.; Osada, K.; Hiki, S.; Dirisala, A.; Ishii, T.; Kataoka, K., Polyplex Micelles with Double-Protective Compartments of Hydrophilic Shell and Thermoswitchable Palisade of Poly(oxazoline)-Based Block Copolymers for Promoted Gene Transfection. Biomacromolecules 2016, 17 (1), 354- 361 ; Feng, G.; Chen, H.; Li, J.; Huang, Q.; Gupte, M. J.; Liu, H.; Song, Y.; Ge, Z., Gene therapy for nucleus pulposus regeneration by heme oxy genäse- 1 plasmid DNA carried by mixed polyplex micelles with thermo-responsive heterogeneous Coronas. Biomaterials 2015, 52, 1-13).
Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass die Verwendung von Blockcopolymeren zu einem erhöhten Aufwand in der Herstellung führt und nur eine flüssige Lagerung möglich ist. Zudem zeigen die Mizellaren Systeme die gleichen Nachteile auf welche bereits zuvor stehend hingewiesen wurde. Für die erwähnten mizellaren Schlauchsysteme ist zudem eine Kombination und damit in der Herstellung die Nutzung mehrerer Blockcopolymere notwendig.
Bezüglich des Einschlusses von Nukleinsäuren in einem hydrophoben polymeren System sind bspw. folgende technische Lösungen zu erwähnen:
Durch die Verwendung von Nukleinsäureformulierungen in nanopartikuläre Trägersystemen bestehend aus kationisch-hydrophilen und hydrophoben Komponenten kann eine hohe Transfektionseffizienz erreicht werden. Dabei werden polymere Hüllsubstanzen, Homopolymere und Blockcopolymere mit amphiphilen Charakter, und Lipide verwendet. Hierbei werden Formulierungen mit geringer Zytotoxizität verwendet. Die so erzeugten Partikel zeigen hohe Transfektionseffizienzen, hohe Stabilität oder bevorzugte Löslichkeiten der Polyplexe. (A nonviral pHEMA+chitosan nanosphere-mediated high-efficiency gene delivery System, Eroglu, Erdal; Tiwari, Pooja M.; Waffo, Alain B.; Miller, Michael E.; Vig, Volume 2013:8(1) Pages 1403—1415 DOI https://dx.doi.org/10.2147/IJN.S43168; Ko, Y. T.; Bickel, U., Liposome-Encapsulated Polyethylenimine/ Oligonucleotide Polyplexes Prepared by Reverse-Phase Evaporation Technique. Pharm. Sei. Tech 2012, 13 (2), 373-378. Ge, X.; Duan, S.; Wu, F.; Feng, J.; Zhu, H.; Jin, T., Polywraplex, Functionalized Polyplexes by Post-Polyplexing Assembly of a Rationally Designed Triblock Copolymer Membrane. Adv. Funct. Mater. 2015, 25 (27), 4352-4363).
Der Nachteil dieser technischen Lösungen besteht darin, dass zum einen durch die Verwendung von Chitosan-Partikeln ein erhöhter Aufwand zur Aufreinigung und Darstellung der Grundpartikel notwendig ist. Zudem scheint die Verwendung von Cerammoniumnitrat, welches auch zum Anätzen von Chrom verwendet wird, nicht besonders geeignet und zeigte auch in der Partikelkombination bei höheren Konzentrationen deutliche Zytotoxizität. Eine Lagerung als stabiler Partikel ist in diesem Fall auch ausgeschlossen.
Die Mehrkomponententrägersysteme werden unter der Nutzung von Polyethylenglykol-Lipid Konjugaten und Blockcopolymeren hergestellt und sind somit auch von der wachsenden Anzahl an Antikörper tragenden Organismen beeinflusst.
Die WO 2015035974 AI offenbart bspw. ein nanostrukturiertes Trägersystem, welches mindestens ein Polymer und/oder mindestens ein Lipid und mindestens einen Polymethinfarbstoff umfasst, wobei der mindestens eine Polymethinfarbstoff als Targetingeinheit den zielgerichteten Transport des nanostrukturieren Trägersystems in ein Zielgewebe bewirkt. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass in diesem Fall ein spezifisches Targeting das Ziel ist und damit kein beschleunigter endosomaler Austritt bzw. Wirkstofftransport vorliegt. Eine Verwendung ohne die färbenden Eigenschaften der Polymethinfarbstoffe ist zudem für den Endanwender deutlich angenehmer. Ein weiterer Nachteil liegt in der begrenzten Interaktion von Polyethylenimin mit Membranen.
Als Komplexierungsreagenz für den nanopartikulären Kern konnten zudem Proteindimere und lipoide Strukturen gezeigt werden.
Auch in diesen Fällen war eine geringe Toxizität und hohe Transfektionen sichtbar. (Choi, K.-m.; Jang, M.; Kim, J. H.; Ahn, H. J., Tumor-specific delivery of siRNA using supramolecular assembly of hyaluronic acid nanoparticles and 2b RNA-binding protein/siRNA complexes. Biomaterials 2014, 35 (25), 7121-7132.)
Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht in der Verwendung von 2b Protein, welches ein Protein aus einer Tomatenpflanze befallenden Virenart ist. Die Nutzung dieser Virenproteine stellt immer auch eine Reizbarkeit des Immunsystems dar. Die Herstellung des Hüllpolymers durch die zusätzliche Konjugation mit Cholesterol und dem verbundenen Targeting bzw. abschirmenden Effekt stellt zudem einen weiteren Arbeits schritt dar und führt somit bei der Produktion zu hohen Kosten.
Die WO 2010142660 AI offenbart bspw. eine pharmazeutisch aktive Formulierungen in Form von Mikropartikeln mit definierter Größe, die siRNA, ein stark hydrophobes biologisch abbaubares Polymer und ein kationisches Lipid umfassen, das sowohl als amphipathischer Emulgator als auch als siRNA-Bindungseinheit fungiert, wobei die siRNA und das kationische Lipid in das Mikropartikel eingekapselt sind.
Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass eine Verwendung von Mikropartikeln eine erschwerte Aufnahme in Zellgewebe verursachen kann. Wobei diese bevorzugt von Immunzellen aufgenommen und abgebaut werden, was normalerweise verhindert werden soll. Zudem bringt die Verwendung von Lipiden in der Formulierung z.T. eine erschwerte Großproduktion mit sich. Die Partikel sind daher auch für die pulmonale Aufnahme, sprich die Aufnahme über die Atemwege gedacht und auch hier nicht auf eine zeitlich bestimmte Aufnahme angewiesen.
Zusammenfassend kann zu den Nachteilen der technischen Lösungen gemäß dem Stand der Technik folgendes festgestellt werden:
Die bekannten Trägersysteme zum Transport von Nukleinsäuren zeigen in ihrer Gesamtheit gute Transfektionseigenschaften.
Diese Trägersysteme haben jedoch den gravierenden Nachteil, dass die zu transportierenden Nukleinsäuren am partikelbildenden Hüllpolymer des Trägersystems komplexieren oder dass die Nukleinsäuren unkomplexiert in dem Trägersystem / Partikel vorliegen.
Nachteilig kommt weiterhin dazu, dass häufig keine Interaktion mit dem genetischen Material vor der Mizell- oder Partikelbildung erfolgt.
Zudem weisen die Herstellungsverfahren für die Trägersysteme gemäß dem Stand der Technik den Nachteil auf, dass die Herstellung mittels Durchmischung in Lösung, die Mizellenbildung mittels Durchmischung in Lösung oder Zutropfverfahren in Lösung erfolgt und das zweifache Emulsionsverfahren (hydrophil/hydrophob/hydrophil) zum Einsatz kommen, so dass kein Einschluss verfahren mit vorheriger Komplexierung des Wirkstoffs und anschließender Nanofällung zweier Lösungen ermöglicht wird.
Weiterhin weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Polymere und Polymer-Lipid-Derivate einen oder mehrere hydrophobe Teilabschnitte sowie einen oder mehrere hydrophile Teilabschnitte auf, so dass diese Polymere oder Derivate einer aufwendigeren Herstellung bedürfen, um nanoskalige Trägersysteme zu erzeugen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem anzugeben, welches die zuvor stehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere eine Reduktion von zytotoxischen Eigenschaften aufgrund der Formulierung über den Transportweg ermöglicht. Darüber hinaus sollen durch das bereitzustellende nanostrukturierte Wirkstoffträgersystem die Interaktionen mit Zellmembranen während des Transports hydrophiler Bestandteile und damit verbunden der Generierung eines frühen endosomalen Austritts des Interaktionskomplexes aus dem Trägersystem ermöglicht werden.
Des Weiteren soll eine pharmazeutische Zusammensetzung angegeben werden, welche ein nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß der Erfindung sowie geeignete Hilfs- und Zusatzstoffe enthält.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. Patentanspruchs gelöst. Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Patentansprüchen angegeben.
In der vorliegenden Offenbarung sind die nachfolgend aufgeführten Begriffe wie folgt zu verstehen:
Nanopartikel sind Strukturen, die kleiner als 1 μπι sind und aus mehreren Molekülen aufgebaut sein können. Sie zeichnen sich allgemein durch ein höheres Oberflächen zu Volumen Verhältnis aus und bieten damit eine höhere chemische Reaktivität. Diese Nanopartikel können aus Polymeren bestehen.
Polymere zeichnen sich durch die Wiederholung von bestimmten Einheiten (Monomeren) aus, können allerdings auch aus mehreren verschiedenen Wiederholungseinheiten bestehen. Die Monomere werden durch die chemische Reaktion kovalent miteinander verbunden (Polymerisation) und bilden an der verknüpfenden polymerisierbaren Einheit das sogenannte Polymerrückgrad. Die nicht miteinander verbundenen Gruppen bilden die Seitenketten aus, an denen sich funktionelle Gruppen befinden können. Besitzen diese Polymere zum Teil hydrophobe Eigenschaften, können sie in wässriger Umgebung nanoskalige Strukturen (z.B. Nanopartikel, Mizellen, Vesikel) ausbilden. Unter „Hüllpolymer" versteht man ein oder mehrere verschiedene Polymere, welche in Schichten oder als Blend vorliegen, wobei eine statistische Mischung aus zwei oder mehreren Polymeren zur Entstehung eines hydrophoben nanostrukturierten Wirkstoffträgersystems führt, in welches ein Interaktionskomplex eingeschlossen und/ oder eingebaut ist.
Unter „Interaktionskomplex" wird ein durch elektrostatische Wechselwirkung entstandener Komplex aus einem oder mehreren hydrophilen Wirkstoffen und einem oder mehreren Komplexierungspolymeren verstanden.
„Wirkstoff beschreibt mindestens einen pharmazeutischen Wirkstoff ausgewählt aus der Gruppe, welche aus niedermolekularen Substanzen, Inhibitoren, Induktoren oder Kontrastmitteln, sowie insbesondere auch aus höhermolekularen Substanzen, bspw. in Form von Nukleinsäure, besteht, wobei die hydrophilen Wirkstoffe potentiell therapeutisch nutzbare Nukleinsäuren (z.B. short interferin- RNA, short hairpin- RNA, micro- RNA, plasmid- DNA) und Proteine (z.B. Antikörper, Interferone, Zytokine) beinhalten.
Unter dem Begriff „pharmazeutischer Wirkstoff" wird jede(s) beliebige anorganische oder organische Molekül, Substanz oder Verbindung verstanden, dass (die) eine pharmakologische Wirkung aufweist. Der Begriff „pharmazeutischer Wirkstoff" wird hierin mit dem Begriff „Arzneimittel" und„Medikament" synonym verwendet.
Die pharmazeutischen Wirkstoffe können dabei solche sein, die ohne Einschluss in einen Nanopartikel oder ein Liposom lediglich eine geringe oder keine Bioverfügbarkeit haben oder eine geringe oder keine Stabilität in vivo aufweisen.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass ein nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem in Form von einem Hüllpolymer umschlossenen, hochreaktiven Nukleinsäure-Polymerkomplex u.a. zum Gentransport bereitgestellt wird.
Dieses nanostrukturierte Wirkstoffträgersystem in Form eines Partikels besteht aus einer Trägerhülle, wobei die Trägerhülle mindestens ein oder mehrere hydrophobe Hüllpolymere, ein oder mehrere geladene Komplexierungspolymere sowie ein oder mehrere hydrophile Wirkstoffe umfasst, wobei das Komplexiemngspolymer mit dem Wirkstoff interagiert.
Das mindestens eine Hüllpolymer ist aus der Gruppe ausgewählt, welche aus Polyestern, Poly(meth)acrylaten, Polystyrol Derivaten, Polyamiden, Polyurethanen, Polyacrylnitrilen, Polytetrafluorethylenen, Siliconen, Polyethylenglycolen, Polyethylenoxiden und Polyoxazolinen und deren Copolymere in verschiedenster Zusammensetzung, wie z. B. Statistisch, Gradient, Alternierend, Block, Pfropf oder Stern Copolymere, besteht.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Hüllpolymer ein biokompatibles Polymer.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einen Hüllpolymer um ein hydrophobes, bioabbaubares Polymer, insbesondere bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PLGA, PLA, PCL, PGA, PEG oder POX.
Das „Komplexierungspolymer" stellt eines oder mehrere hydrophile Polymere dar, die durch elektrostatische Wechselwirkung in der Lage sind, mit einem oder mehreren hydrophilen Wirkstoffen einen Interaktionskomplex darstellen zu können.
Besonders bevorzugt besteht das Komplexierungspolymer aus linearen, wasserlöslichen, kationischen Polymeren mit einem Anteil von 0 bis 70% sekundäre Amin-Funktionalitäten im Polymerrückgrad.
Dieses mindestens eine Komplexierungspolymer ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polypeptiden, Poly(meth)acrylaten, Polystyrol Derivaten, Polyamiden, Polyurethanen, Polyacrylnitrilen, Polyethylenglycolen, Polyethylenoxiden und Polyoxazolinen und deren Copolymere in verschiedenster Zusammensetzung, wie z. B. Statistisch, Gradient-, alternierend, Block- und Pfropf-Copolymere. Die Erfindung schließt die Verwendung von Polyethylenimin ausdrücklich aus.
Nach Aufnahme des nanostrukturierten Wirkstoffträgersystems (=Nanopartikel) in das Zielgewebe, kommt es zu der Freisetzung des Interaktionskomplexes und eines optional beinhalteten pharmazeutischen Wirkstoffs.
Die Freisetzung eines Nanopartikels als Bestandteil des nanostrukturierten Wirkstoffträgersystems findet wie folgt statt:
1. Ansäuerung des Endosoms, Destabilisierung des nanostrukturierten Trägersystems, Abbau des Hüllpolymers der Trägerhülle durch pH- abhängige oder enzymatische Spaltung;
2. Freisetzung des aktiven Interaktionskomplexes aus der Trägerhülle, wobei dadurch das Komplexierungspolymer das Endosom, die vesikuläre Membran penetrieren kann;
3. Freisetzung des Wirkstoffs aus dem Endosom. Wirkstoff kann dabei bereits ungebunden oder noch mit Komplexierungspolymer verbunden sein; endgültige Freisetzung des Wirkstoffes folgt
4. Polymerbestandteile werden verschiedenen Stoffwechselwegen zugeführt
Der Vorteil dieses nanostrukturierten Wirkstoffträgersystems besteht darin, dass es eine Reduktion von zytotoxischen Eigenschaften, die Interaktionen mit Zellmembranen während des Transports hydrophiler Bestandteile und damit verbunden der Generierung eines frühen endosomalen Austritts des Interaktionskomplexes aus dem Trägersystem ermöglicht, was zu eine optimale Wirkstofffreisetzung führt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine pharmazeutische Zusammensetzung, die ein solches nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem sowie geeignete Hilfs- und Zusatzstoffe umfasst.
Unter erfindungsgemäßen „Hilfs- und Zusatzstoffen" ist jede pharmakologisch verträgliche und therapeutisch sinnvolle Substanz zu verstehen, die kein pharmazeutischer Wirkstoff ist, jedoch zusammen mit dem pharmazeutischen Wirkstoff in der pharmazeutischen Zusammensetzung formuliert werden kann, um qualitative Eigenschaften der pharmazeutischen Zusammensetzung zu beeinflussen, insbesondere zu verbessern. Bevorzugt entfalten die Hilfs- und/oder Zusatzstoffe keine oder im Hinblick auf die beabsichtigte Behandlung keine nennenswerte oder zumindest keine unerwünschte pharmakologische Wirkung.
Geeignete Hilfs- und Zusatzstoffe sind beispielsweise pharmazeutisch verträglichen anorganischen oder organischen Säuren, Basen, Salze und/oder Puffersubstanzen. Beispiele für anorganische Säuren sind Salzsäure, Bromwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure und Phosphorsäure, wobei insbesondere Salzsäure und Schwefelsäure bevorzugt sind.
Beispiele für geeignete organische Säuren sind Äpfelsäure, Weinsäure, Maleinsäure, Bernsteinsäure, Essigsäure, Ameisensäure und Propionsäure und insbesondere bevorzugt Ascorbinsäure, Fumarsäure und Zitronensäure. Beispiele für pharmazeutisch verträgliche Basen sind Alkalihydroxide, Alkalicarbonate und Alkali-Ionen, bevorzugt Natrium. Mischungen dieser Substanzen können insbesondere zur Einstellung und Pufferung des pH- Wertes benutzt werden.
Bevorzugte Puffersubstanzen sind weiterhin PBS, HEPES, TRIS, MOPS sowie weitere physiologisch verträgliche Puffersubstanzen.
Weitere geeignete Hilfs- und Zusatzstoffe sind Lösungs- oder Verdünnungsmittel, Stabilisatoren, Suspensionsvermittler,
Konservierungsmittel, Füllstoffe, Cryoprotectoren, Emulsionsvermittler und/oder Bindemittel sowie weitere im Stand der Technik bekannte übliche Hilfs- und Zusatzstoffe. Die Auswahl der Hilfsstoffe sowie die einzusetzenden Mengen derselben hängt von dem pharmazeutischen Wirkstoff und der Art der Verabreichung ab.
Ein nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem, welches mit den geeigneten Hilfs- und Zusatzstoffen die pharmazeutische Zusammensetzung ausbildet, kann bspw. durch das an sich bekannte Verfahren der Double Emulsion erfolgen.
Das nanostrukturierte Wirkstoffträgersystem und die pharmazeutische Zusammensetzung, die ein solches nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem sowie geeignete Hilfs- und Zusatzstoffe umfasst, stellen ein bisher einzigartige, vielfach kombinierbare therapeutisches Systeme dar, um verschiedenste Substanzen, insbesondere pharmazeutische Wirkstoffe, (z.B. Nukleinsäuren aber auch phydrophile Moleküle) in eine Zelle zu transportieren, wobei die Kombination mit dem Interaktionskomplex zu einem frühen endosomalen Austritt führt. Der sichere Transport in die Zelle wird durch das Hüllprotein und den Interaktionskomplex realisiert. Folge ist ein schneller endosomaler Austritt, welche durch die Interaktion vom Interaktionskomplex mit der endosomalen Membran gewährleistet wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen oder mehrere Wirkstoff effizient und schnell in Zellen einzubringen und freizusetzten.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Abbildungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt:
Abb. 1 : die Molekulargewichte und Polydispersitäten der Boc- geschützen Polymere ermittelt durch a) SEC (DmAc, 0.21% LiCl, PMMA Kalibrierung) und b) Den Polymerisationsgrad bestimmt mittels SEC und ^-NMR Spektroskopie,
Abb. 2: das Elutionsdiagramm der Größenaus schlusschromatografie der Boc-geschützen Polymere aufgenommen mittels Brechungsindex-Detektion,
Abb. 3: das Reaktionsschema der Komplexierungspolymerherstellung gemäß Ausführungsbeispiel 1,
Abb. 4: das Reaktions Schema der Abspaltungsreaktion der Boc-Gruppe gemäß Ausführungsbeispiel 2,
Abb. 5: das 2-D HSQC-NMR der Abspaltungsreaktion der Boc-Gruppe gemäß Ausführungsbeispiel 2,
Abb. 6: das Elutionsdiagramm der Größenaus schlusschromatografie der Komplexierungspolymere aufgenommen mittels
Brechungsindex-Detektion,
Abb. 7: die Molekulargewichte und Polydispersitäten der Boc- geschützen Polymere ermittelt durch a) AF4 mittels MALS Detektion, b) und c) mittels SEC (0.1 % TFA, 0.1M NaCl Dextran Kalibrierung / c DmAc, 0.21% LiCl, PMMA Kalibrierung) und d) Den Polymerisationsgrad bestimmt mittels AF4 und ^-NMR Spektroskopie. Außerdem ist der pKA- Wert der Polymere ermittelt aus der Titration,
Abb. 8: die Titrationskurven der Komplexierungspolymere 2 bis 7 in einem Diagramm gegen das verwendete Gesamtvolumen der Titration,
Abb. 9: die Überlagerung der Ή-ΝΜΡ Spektren A) Copolymer der Komplexierungspolymere mit Boc-Gruppe B)
Komplexierungspolymer nach Abspaltungsreaktion mit Salzsäure C) Komplexierungspolymer nach der Abspaltungsreaktion mit Trifluoressigsäure,
Abb. 10. das Reaktionsschema der NHS-Ester Kupplungsreaktion,
Abb. I IA: die Größe der hergestellten Partikel direkt nach der Herstellung und Entfernen des Lösungsmittels und nach der Gefriertrocknung und Resuspension in Reinstwasser,
Abb. I IB: die Polydispersität der hergestellten Partikel direkt nach der Herstellung und Entfernen des Lösungsmittels und nach der Gefriertrocknung und Resuspension in Reinstwasser,
Abb. HC: das Zeta Potential der hergestellten Partikel direkt nach der Herstellung und Entfernen des Lösungsmittels und nach der Gefriertrocknung und Resuspension in Reinstwasser.
Abb. 12A: die relative Viabilität von L929 Fibroblastzellen, 24 h nach der Zugabe von Interaktionskomplexen,
Abb. 12B: die relative Viabilität von L929 Fibroblastzellen, 24 h nach der Zugabe von Nanopartikeln (B) in den entsprechenden Konzentrationen,
Abb. 13: die zeitabhängige Aufnahme der Interaktionskomplexe PI bis P6 in HEK-Zellen,
Abb. 14: die zeitabhängige Aufnahme von P6 und siRNA verkapselten Nanopartikel in HEK Zellen im Vergleich zu PEI-Nanopartikel und Abb. 15: die Transfektionseffizienz der Interaktionspolyplexe mit GFP- kodierter pDNA in HEK Zellen unter Einfluss von serumreduzierten Medium (OptiMEM) sowie serumhaltigen Standardwachstumsmedium (RPMI).
Ausführungsbeispiel 1:
Synthese der Komplexierungspolvmere
Homo- und Copolymere von N-ieri-butyloxycarbonyl-(2-aminoethyl)- methacrylate (im Weiteren BocAEMA genannt), N-methyl-N-tert- butyloxycarbonyl-(2-aminoethyl)-methacrylate (im Weiteren BocMAEMA genannt) und N,N-Dimethyl-(2-aminoethyl)-methacrylate (im Weiteren DMAEMA genannt) werden durch Reversible-Addition- Fragmentierung-Kettentransfer-Polymerisation hergestellt.
In einer typischen Reaktion werden dazu 0,73 g BocAEMA (3,18 10" mol), 0,77 g BocMAEMA (3.18 10"3 mol), 0,98 mg Azobis(isobutyronitril)- Initiator (5,96 10"5 mol), 5,68 mg 4- Cyano-4- (phenylcarbonothioylthio) -pentansäure (20,33 10"5 mol) und 5,03 mL Dimethylformamid zusammen mit Anisol als interner Standard (0,34 mL) in ein 25 mL Mikrowellenreaktionsgefäß gegeben und für 30 min durch einen Argonstrom entgast.
Die Reaktionslösung wird anschließend in einem auf 70°C vorgeheizten Ölbad für 38 h unter Rühren erhitzt.
Das Copolymer wird zweimal aus Tetrahydrofuran in n-Hexan gefällt und unter reduziertem Druck getrocknet.
Der Umsatz wird anhand des ^-NMR Spektrums gegen den internen Standard bestimmt.
Die analytischen Daten sind in Abb.l, die Größenausschluss- chromatografie ist in Abb. 2 und das Syntheseschema ist in Abb. 4 abgebildet. Die teri-Butyloxycarbonyl (Boc) geschützen Polymere werden in IM methanolischer Salzsäure über 16 h entschützt, das Lösungsmittel untervermindertem Druck entfernt, in deionisiertem Wasser gelöst und über 24 h gefriergetrocknet.
Das Syntheseschema ist in Abb. 3, die 2-D-NMR ist in Abb.5, die Größenaus schlusschromatografie ist in Abb. 6, die analytischen Daten sund in Abb.7, die Titrationskurven mit pKA-Wert Markierung sind in Abb. 8 und der ^-NMR Vergleich von Entschützungsmethoden ist in Abb. 9 abgebildet.
Ausführungsbeispiel 2:
Funktionalisierung von Komplexierungspolymeren und Hüllpolymeren
Für die Visualisierung der Hüll- und Komplexierungspolymere wird die Verknüpfung der Polymere an Fluoreszenzfarbstoffe mittels N- Hydroxysuccinimid- (NHS im Weiteren) aktivierter Kopplung von Carbonsäuren mit primären Aminen verwendet.
Dafür wird in einer typischen Reaktion das NHS-Ester Derivat von Cyanin 5® (0,5 mg, 8, 1 10"4 mol) zusammen mit dem Copolymer PMAEMA-co-AEMA (37,0 mg, 6,8 10"4 mol) und Triethylamin (0,3 mL) in Methanol (9,7 mL) über 24 h unter Ausschluss von Licht bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wird das Lösungsmittel unter vermindertem Druck entfernt, der feste Rückstand in Wasser gelöst und für 7 Tage in einem regenerierten Cellulose Dialysemembranschlauch (CarlRoth, Auschlussgrenze 3500 g mol"1) gegen destilliertes Wasser dialysiert und anschließend für 24 h gefriergetrocknet.
Das Syntheseschema in Abb. 10 dargestellt.
Ausführungsbeispiel 3:
Herstellung der Nanopartikel Die verwendeten Partikel werden bspw. mittels doppelter Emulsion hergestellt. Dabei wird hochfrequenter Ultraschall verwendet, der unter Hilfe der Oberflächen-aktiven Substanz Polyvinylalkohol (PVA) die Bildung von nanoskaligen Partikeln begünstigt.
Die hydrophoben Hüllpolymere werden dafür in Ethylacetat, ein mit
Wasser nicht mischbares Lösungsmittel, (10-20 mg mL"1) gelöst.
Es wird eine finale Konzentration von 0,3% PVA in Reinstwasser verwendet.
Der Interaktionskomplex wird vorher aus dem Komplexierungspolymer und der genetischem Material, hier der siRNA, in Reinstwasser gebildet. Anschließend wird eine erste Emulsion aus Interaktionskomplex und Hüllpolymer gebildet, welcher anschießend in Wasser überführt wird und nach erneuter Verwendung hochfrequenten Ultraschalls eine zweite Emulsion gebildet wird.
Anschließend werden die Partikel für bis zu 48 h bei Raumtemperatur inkubiert, so dass das organische Lösungsmittel verdampfen kann.
Die gebildeten Partikel werden durch Zentrifugation und Resuspension in Reinstwasser gewaschen, mit 5% Saccharose versetzt und eingefroren (-80°C), um lyophilisiert zu werden.
Ausführungsbeispiel 4:
Charakterisierung der Nanopartikel
Es werden Nanopartikel aus PLGA, Polymethacrylaten und siRNA mit konstanten Parametern reproduzierbar hergestellt.
Die Ergebnisse sind in Abb. I IA bis HC dargestellt, wobei A = Größe, B = Polydispersität, C = Zeta Potential Oberflächenladung gilt. Für die Größen- und Größen Verteilungsmessung wird die dynamische Lichtstreuung verwendet, die Ladung wird mittels ζ -Potential bestimmt. Abb. I IA zeigt, dass die Größe der Partikel unabhängig von der Herstellung oder des verwendeten Hüll- bzw. Komplexierungspolymeres konstant bleibt.
Ausführungsbeispiel 5:
Toxizität von Interaktionskomplex und Nanopartikel
Die Zytotoxizitäts Studien erfolgen nach dem ISO 10993-5 Protokoll mit Mausfibroblastzellen L929. Die Zellen werden in DMEM- Wachstumsmedium (Dulbecco's modified eagle's medium) in einer Zellkonzentration von 104 Zellen pro Well in einer 96-Wellplatte angesetzt und für 24 h bei 37°C und 5% C02 inkubiert.
Danach erfolgt die Zugabe der entsprechenden Komplexe oder Nanopartikel in verschiedenen Konzentrationen.
Nach 24 h erfolgt ein Mediumwechsel mit frischem Medium versetzt mit dem Reagenz AlamarBlue.
Nach einer weiteren Inkubationsperiode von 4 h bei 37°C, erfolgte die Fluoreszenzmessung der einzelnen Wells in einem Mikroplattenlesegerät (Tecan) bei einer Anregungswellenlänge von 570 nm und einer Emissionswellenlänge von 610 nm. Unbehandelte Zellen dienten als Negativkontrolle, wobei deren Mess werte einer Viabilität von 100% entsprachen. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 12A und 12B dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine Verkapselung zur Erhöhung der Biokompatibilität führt.
Ausführungsbeispiel 6:
Zelluläre Aufnahme von Interaktionskomplex und Nanopartikel
Für die Untersuchung der zellulären Aufnahme von Komplexen und Nanopartikel werden humane embryonale Nierenzellen (HEK) in 24- Wellplatten in Wachstums medium RPMI 1640 (mit 10% fetalem Kälberserum und 1 % Antibiotika) angesetzt. Nach 24 h wird das Medium gegen Serum-reduziertes Medium (OptiMEM) gewechselt und für eine weitere Stunde inkubiert.
Polyplexe mit YOYO-gelabelter pDNA oder Nanopartikel mit Nilrot und Komplexierungspolymer werden den HEK Zellen zugefügt und bis zu 4 h bei 37°C, 5% C02 inkubiert.
Die Untersuchung der zellulären Aufnahme erfolgt über die Durchflusszytometrie. Hierfür werden insgesamt 10.000 Zellen gemessen und alle lebenden Zellen (FSC/SSC Scattering) mit positivem Signal (FL1) gezählt.
Die Ergebnisse sind in Abb. 13 und Abb. 14 dargestellt.
Die Untersuchung der zellulären Partikelaufnahme erfolgt weiterhin über konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie. Hierfür werden HEK-Zellen in Mikroskopiegefäße mit Glasboden gesät und die mikroskopische Aufnahme der Zellen erfolgt 1 bis 4 h nach Zugabe der Proben. Weiterhin wird der Zellkern mit Hoechst 33342, Lysosomen mit LysoTracker Red DND-99 oder LysoTracker Green DND-26, Zellmembran mit CellMask Orange plasma membrane stain gefärbt.
Ausführungsbeispiel 7:
Transfektion und Knockdown
Für die Transfektionsstudien werden HEK-Zellen bzw. eine stabile GFP- CHO-Zelllinie in 24- Wellplatten mit einer Zellkonzentration von 1015 Zellen/ mL gesät.
Eine Stunde vor Zugabe der Proben erfolgt ein Mediumwechsel entweder mit Serum-reduziertem Medium (OptiMEM) oder serumhaltigen Wachstumsmedium (RPMI 1640).
Polyplexe bzw. Nanopartikel werden zu den Zellen gegeben (50 μΐ. pro Well) und für 4 h bei 37°C, 5% C02 inkubiert. Danach wird der Überstand entfernt und die Zellen in frischem Wachstumsmedium für weitere 24 h bis 72 h inkubiert.
Die Analyse der Transfektionseffizienz erfolgt mittels Durchfluss- zytometrie. Hierfür werden die Zellen trypsiniert und mit Propidiumiodid für eine Lebend-Tod-Bestimmung gefärbt.
Zur Ermittlung der Transfektionseffizienz werden 10.000 Zellen gemessen und alle lebende mit positiven GFP-Signal (Ex 488nm; Em 525nm) gezählt. Transfektionsergebmsse sind in Abb. 15 dargestellt.
Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem in Form eines Partikels bestehend aus einer Trägerhülle, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerhülle mindestens ein oder mehrere hydrophobe Hüllpolymere, ein oder mehrere geladene Komplexierungspolymere sowie ein oder mehrere hydrophile Wirkstoffe umfasst, wobei das Komplexierungspolymer mit dem Wirkstoff interagiert.
2. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Interaktion zwischen Komplexierungspolymer und Wirkstoff durch eine oder mehrere nicht kovalente Wechselwirkungen in Form von elektrostatischen Bindungen, Ionenbindungen, Wasserstoffbrückenbindungen oder van- der-waals Kräften bewirkt ist.
3. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkstoffe folgenden Stoffklassen angehören:
• Nukleinsäuren in Form von siRNA, mRNA, ncRNA, saRNA, short hairpin- RNA, micro- RNA oder plasmid- DNA,
• Peptide und Proteine in Form von Antikörpern, Interferonen und Zytokinen
und /oder
• pharmazeutische Wirkstoffe.
4. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Komplexierungspolymer aus linearen, wasserlöslichen, kationischen Polymeren mit 0 - 70% sekundäre Amin-Funktionalitäten im Polymerrückgrad besteht.
5. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Komplexierungspolymer ausgewählt aus der Gruppe von Polypeptiden, Poly(meth)acrylaten, Polystyrol Derivaten, Polyamiden, Polyurethanen, Polyacrylnitrilen, Polyethylenglycolen,
Polyethylenoxiden und Polyoxazolinen und deren Copolymere in verschiedenster Zusammensetzung ist, ausgenommen Polyethylenimin.
6. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerhülle den Wechselwirkungskomplex aus Wirkstoff und Komplexierungspolymer umfasst und dabei eine Nanostrukturierung des Trägersystems ausbildet.
7. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrophobe Hüllpolymer als Blend und/oder in Schichten von hydrophoben Polymeren, welche einen Wirkstoffkomplex umschließen, ausgeführt ist.
8. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllpolymer aus der Gruppe von Polyestern, Poly(meth)acrylaten, Polystyrol Derivaten, Polyamiden, Polyurethanen, Polyacrylnitrilen, Polytetrafluorethylenen, Siliconen, Polyethylenglycolen, Polyethylenoxiden und Polyoxazolinen und deren Copolymere in verschiedenster Zusammensetzung ausgewählt ist.
9. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllpolymer ein biokompatibles Polymer ist.
10. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllpolymer Hilfs- und Zusatzstoffe in Form von Polyvinylalkohol, Pluronic zur Herstellung einer Nanoemulsion oder in Form von Saccharose, Trehalose, Glukose für die Gefriertrocknung einschließt.
11. Verwendung eines nanostrukturierten Wirkstoffträgersystems gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche Ansprüchen 1 bis 10 zum Transport von siRNA.
12. Nanostrukturierten Wirkstoffträgersystem umfassend ein Hüllpolymer PLGA, ein Komplexierungspolymer basierend auf Polymethacrylaten und genetisches Material.
13. Nanostrukturiertes Wirkstoffträgersystem gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Komplexierungspolymer PDMAEMA, PAEMA, PMAEMA oder eines Copolymers dieser und das genetische Material eine siRNA ist.
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