Hyaluronan based drug carrier systems

Mgr. Kristina Nešporová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Farmakoterapie je dnes natolik hojně využívána, že nás často ani nenapadne, co by na ní šlo ještě vylepšit. Přestože úspěšně pomáhá léčit řadu onemocnění, existuje stále několik nedostatků, jejichž vyřešení by mohlo zvýšit efektivitu, bezpečnost a celkovou prospěšnost farmakoterapie pro pacienta. Vývoj účinných nosičových systémů léčiv je jednou z cest, jak tohoto dosáhnout. Pro parenterální aplikace jsou preferovány lipozomální a polymerní nosičové systémy, přičemž polymerní micely jsou jedním z příkladů nosičů z druhé skupiny. Jejich hlavní výhodou je především vysoká vazebná kapacita a lepší stabilita. Polymerní micely tvořeny z amfifilních polymerů, které se ve vodném prostředí samouspořádají do nadmolekulárních útvarů. Hyaluronan (HA) je lineární polysacharid s vysokou molekulovou hmotností. Přirozeně se vyskytuje v tkáních živočichů, především v kůži, očním sklivci, chrupavce a synoviální tekutině, kde zastává zejména pasivní výplňovou a lubrikační funkci. Je schopen i aktivně regulovat biologické děje skrze interakce s řadou buněčných receptorů a s dalšími složkami extracelulární matrix. Jeho biologické efekty jsou závislé nejen na těchto interakcích ale částečně i na jeho molekulové hmotnosti. Díky své vysoké biokompatibilitě a biodegradabilitě je HA často využíván právě pro vývoj nosičů léčiv. Zároveň je HA extrémně hydrofilní a ve své přirozené podobě není schopen tvořit micely. Příhodné amfifilní vlastnosti získá po chemické esterifikaci mastnými kyselinami. Jak hydrofilní (HA), tak i hydrofobní (mastná kyselina) část tohoto nového derivátu může být po rozštěpení esterové vazby snadno metabolizována. Hlavním cílem této práce bylo ověřit schopnost polymerních micel založených na HA fungovat jako nosiče léčiv a zjistit jaký vliv má jejich složení na efektivitu vnitrobuněčného transportu v různých in vitro, ex vivo a in vivo systémech. Do micel byla zabalena léčiva (např. paklitaxel), modelové fluorescentní látky a kovové nanočástice a byl sledován jejich osud. Všechny nesené látky byly úspěšně transportovány dovnitř buněk a tkání a většina vykazovala očekávané biologické vlastnosti. Překvapivě, některé z kompozic vykazovaly nové biologické efekty. Například, po sterilizaci UV zářením micelární kompozice paklitaxelu získalo toto léčivo pozměněné biologické vlastnosti. Také byly pozorovány in vitro protinádorové vlastnosti kompozice micel obsahující nanočástice oxidů železa, jež jsou většinou považovány za inertní látku. Na základě našich dat lze usuzovat, že micely založené na hydrofobizovaném HA jsou efektivním nosičovým systémem pro léčivé a diagnostické látky v topických i intravenózních aplikacích. Výsledky zde uvedené navíc přispívají k pochopení interakcí nanoléčiv s krevními a buněčnými komponenty včetně některých nedostatků, které tyto nosičové systémy vykazují.

Abstract:

Pharmacotherapy is nowadays so common we often don’t even realize it is not perfect. While being very successful in treatment of almost any illness there are still several aspects which might be optimize for greater efficiency, safety and other benefits to the patients. Development of effective drug-delivery systems is one way how to reach this goal. For the parenteral applications of drug, the liposomal and polymeric formulations are the most preferred, with polymeric micelles being the typical example of the latter one. Polymeric micelles are formed from amphiphilic polymers which self-assemble in aqueous environment creating supramolecular core-shell structures. They often surpass other delivery system in their relatively high drug loading capacity as well as improved stability. Hyaluronan (HA) is a linear polysaccharide of high molecular weight (Mw). It is naturally occurring in animal tissues, especially skin, vitreous humor, cartilage and synovial fluid, where it functions mostly as passive filler and lubricant. It can also act as an active biomolecule through its interaction with several cellular receptors as well as other components of extracellular matrix. Its biological effects are at least partially directed by its molecular size and above mentioned interactions. Thanks to its high biocompatibility and biodegradability, HA is often the polymer of choice for the development of drug-delivery systems. However, due to its extreme hydrophilicity it cannot form micelles in its native state. The necessary amphiphilic properties are added by the esterification with fatty acids. Both the hydrophilic (HA) and hydrophobic parts (fatty acids) of the derivatives are readily metabolized after the cleavage of ester bond. The aims of this work were to evaluate the ability of HA-based polymeric micelles to function as drug-delivery systems and evaluate how their composition affects the intracellular transport using different in vitro, ex vivo and in vivo models. Drug (paclitaxel), model fluorescent compounds or metal nanoparticles were loaded inside the micellar core and their fate was followed. All of the selected cargos were successfully transported inside the cells and/or tissues and most of them exhibited the expected biological effect. Surprisingly we also observed some new properties of the tested compositions. Particularly, we described the UV-induced formation of paclitaxel isomer with modified biological properties and that iron nanoparticles loaded in micelles inhibited the growth of cancer cells in vitro. Thus, based on our data we can suggest that the HA-based micelles are effective delivery system for therapeutics or imaging probes in both topical and intravenous applications. Data presented here also contribute to the overall knowledge about the interactions of nanomedicine with blood components or cells, yet some of the remaining drawbacks of this drug-delivery system are highlighted.

Keywords

polymerní micela, transport léčiv, hyaluronan, buněčný příjem, polymeric micelle, drug delivery, cell uptake

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 8. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 30. 9. 2016
• Supervisor: doc. Mgr. Lukáš Kubala, Ph.D.
• Reader: MUDr. Jakub Suchánek, Ph.D., Slavomír Bystrický, Ph.D., DSc., Dr. Frederik Claeyssens, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Animal Physiology