Title (eng)
Bioadhesion of coated particles
the impact of flow probed with acoustically-driven microfluidics
Author
Christian Fillafer
Advisor
Franz Gabor
Assessor
Alexander Florence
Marc Schneider
Abstract (deu)
Der Einsatz von Nano- und Mikropartikeln als Trägersysteme stellt einen vielversprechenden Ansatz zur biopharmazeutisch verbesserten Applikation von hochpotenten etablierten und Biotech-Wirkstoffen dar. Die Interaktion der Partikel mit Geweben des menschlichen Körpers wird abgesehen von der Partikelgröße vorwiegend durch die chemische Struktur der Partikeloberfläche bestimmt. Folglich kann durch Modi- fikation der Oberfläche mit bioadhäsiven Molekülen die Lokalisation und Verweildauer der partikulären Arzneiform im Körper grundlegend beeinflusst werden.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, in- wiefern elektrostatische oder biorekognitive Wechselwirkungen aus- genützt werden können, um die Bindung von Nano- und Mikropar- tikeln an humane epitheliale und endotheliale Zellen zu erhöhen. Die negative Oberflächenladung von Polymerteilchen wurde durch Beschichtung mit dem kationischen Polyelektrolyt Polyethylenimin invertiert. Durch diese Ladungsumkehr konnte eine 3-fach erhöhte Bindung von Mikropartikeln und eine 5-fach erhöhte Bindung von Nanopartikeln an ein Gewebekulturmodell des humanen Dünndarms erzielt werden. Ein generelles Übertragen dieser Ergebnisse auf an- dere humane Zelltypen ist jedoch nicht uneingeschränkt möglich, da beispielsweise an primären humanen Endothelzellen keine bevorzugte Bindung von positiv geladenen Partikeln nachgewiesen werden konnte.
Zur Erhöhung der spezifischen Bioadhäsivität wurden Nano- und Mikropartikel kovalent mit Weizenkeimlektin derivatisiert. Die Wech- selwirkung dieses zuckerbindenden Proteins mit Bestandteilen der zel- lulären Glykocalyx erhöhte die Bindungsraten an Caco-2 Einzelzellen 73-fach im Vergleich zu nicht modifizierten Partikeln. Dadurch kon- nte bestätigt werden, dass die Konjugation mit Lektinen ein vielver- sprechendes Konzept im Rahmen der Entwicklung bioadhäsiver Wirk- stoffträger darstellt.
Standardgemäß werden Bioadhäsionsstudien unter stationären Be- dingungen durchgeführt. Sowohl nach peroraler als auch nach par- enteraler Applikation wirken jedoch Scherkräfte, die die Interaktion von Wirkstoffträgern mit dem Gewebe maßgeblich beeinflussen. Um eine Untersuchung der Bioadhäsivität von Partikeln unter annähernd physi- ologischen Bedingungen zu ermöglichen, wurde ein miniaturisiertes und dadurch potentiell parallelisierbares Flussmodell entwickelt. In diesem chipbasierten System werden mittels oberflächenakustischer Wellen hydrodynamische Kräfte erzeugt, die vergleichbar mit jenen im Darm und in den Blutgefäßen sind. Untersuchungen mit lektinmodi- fizierten Mikropartikeln zeigten, dass deutliche Diskrepanzen zwischen den zellgebundenen Partikelmengen unter stationären und dynamis- chen Bedingungen bestehen. Eine Integration von hydrodynamischen Parametern in präklinische biopharmazeutische Testmodelle erscheint demnach äußerst sinnvoll und könnte die Aussagekraft dieser Modelle deutlich erhöhen.
Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass sowohl das entwickelte Chipmodell als auch die erarbeiteten Techniken zur Partikelmodifika-
tion und -detektion vielseitig anwendbares Potential für die biophar- mazeutische Optimierung der Applikation von Wirkstoffen bieten.
Abstract (eng)
The application of micro- and nanoparticles as drug carrier systems represents a highly promising approach to biopharmaceutically im- prove the administration of drugs. The interaction of particles with tissues of the human body will be determined by their size and most importantly surface characteristics. Consequently, modification of the particle surface with bioadhesive molecules could represent a potent means for controlling the residence time and localization of particles in the body.
In the present thesis it was investigated to what extent ionic and biorecognitive interactions can be employed for mediating the adhesion of particles to epithelial and endothelial cells. By adsorption of the cationic polyelectrolyte poly(ethylene imine) (PEI) the zeta potential of negatively charged polymer particles was inverted. As a consequence of this surface modification a 3-fold higher binding of microparticles and 5-fold higher binding of nanoparticles to artificial intestinal epithelium was observed. However, a general transfer of these results to other cell types does not seem possible since positively charged particles were not characterized by preferential binding to primary endothelial cells.
In order to enhance the specific bioadhesion of micro- and nanopar- ticles, covalent conjugation with wheat germ agglutinin (WGA) was employed. As a consequence of the interaction between the surface- bound lectin and carbohydrates in the glycocalyx, a 73-fold enhanced binding as compared to plain colloids was observed. This underlines that modification with lectins represents a promising concept for im- proving the bioadhesive properties of particulate drug carrier systems.
Usually, bioadhesion studies are performed under stationary con- ditions. However, upon peroral as well as parenteral administration hydrodynamic forces will act on the particles. This might substantially influence their interaction with the tissue. In order to facilitate stud- ies on the effects of flow on bioadhesion, a miniaturized chip-based microfluidic system was developed. By controlled generation of sur- face acoustic waves (SAWs) fluids can be controllably actuated in this tissue-culture compatible device. Thereby, hydrodynamic conditions comparable with those in the gastrointestinal tract and in the circulatory system can be generated in vitro. This flow model was employed to in- vestigate the influence of shear forces on the binding of WGA-modified and plain microparticles to epithelial monolayers. Clear discrepancies between the number of cell-associated particles under stationary and flow conditions were observed. These results illustrate that an inte- gration of flow into preclinical biopharmaceutical test systems might enable an improved understanding of bioadhesion in a physiological environment.
The developed tissue-chip hybrid for flow studies as well as the techniques for surface modification and particle detection will represent versatile tools for future studies dealing with the biopharmaceutical optimization of drug administration.
Keywords (eng)
bioadhesionmicroparticlesnanoparticleschipsurface acoustic wavesSAWpolyelectrolyteselectron microscopyWGAlectinsflowendotheliumepitheliumPLGAcell-bindingmicrofluidics
Keywords (deu)
BioadhesionMikropartikelNanopartikelChipakustische OberflächenwelleSAWPolyelektrolyteElektronenmikroskopieWGALektineFlussEndothelEpithelPLGAZellbindungMikrofluidik
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1267915
rdau:P60550 (deu)
XIV, 188 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
204
Association (deu)
Title (eng)
Bioadhesion of coated particles
the impact of flow probed with acoustically-driven microfluidics
Author
Christian Fillafer
Abstract (deu)
Der Einsatz von Nano- und Mikropartikeln als Trägersysteme stellt einen vielversprechenden Ansatz zur biopharmazeutisch verbesserten Applikation von hochpotenten etablierten und Biotech-Wirkstoffen dar. Die Interaktion der Partikel mit Geweben des menschlichen Körpers wird abgesehen von der Partikelgröße vorwiegend durch die chemische Struktur der Partikeloberfläche bestimmt. Folglich kann durch Modi- fikation der Oberfläche mit bioadhäsiven Molekülen die Lokalisation und Verweildauer der partikulären Arzneiform im Körper grundlegend beeinflusst werden.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, in- wiefern elektrostatische oder biorekognitive Wechselwirkungen aus- genützt werden können, um die Bindung von Nano- und Mikropar- tikeln an humane epitheliale und endotheliale Zellen zu erhöhen. Die negative Oberflächenladung von Polymerteilchen wurde durch Beschichtung mit dem kationischen Polyelektrolyt Polyethylenimin invertiert. Durch diese Ladungsumkehr konnte eine 3-fach erhöhte Bindung von Mikropartikeln und eine 5-fach erhöhte Bindung von Nanopartikeln an ein Gewebekulturmodell des humanen Dünndarms erzielt werden. Ein generelles Übertragen dieser Ergebnisse auf an- dere humane Zelltypen ist jedoch nicht uneingeschränkt möglich, da beispielsweise an primären humanen Endothelzellen keine bevorzugte Bindung von positiv geladenen Partikeln nachgewiesen werden konnte.
Zur Erhöhung der spezifischen Bioadhäsivität wurden Nano- und Mikropartikel kovalent mit Weizenkeimlektin derivatisiert. Die Wech- selwirkung dieses zuckerbindenden Proteins mit Bestandteilen der zel- lulären Glykocalyx erhöhte die Bindungsraten an Caco-2 Einzelzellen 73-fach im Vergleich zu nicht modifizierten Partikeln. Dadurch kon- nte bestätigt werden, dass die Konjugation mit Lektinen ein vielver- sprechendes Konzept im Rahmen der Entwicklung bioadhäsiver Wirk- stoffträger darstellt.
Standardgemäß werden Bioadhäsionsstudien unter stationären Be- dingungen durchgeführt. Sowohl nach peroraler als auch nach par- enteraler Applikation wirken jedoch Scherkräfte, die die Interaktion von Wirkstoffträgern mit dem Gewebe maßgeblich beeinflussen. Um eine Untersuchung der Bioadhäsivität von Partikeln unter annähernd physi- ologischen Bedingungen zu ermöglichen, wurde ein miniaturisiertes und dadurch potentiell parallelisierbares Flussmodell entwickelt. In diesem chipbasierten System werden mittels oberflächenakustischer Wellen hydrodynamische Kräfte erzeugt, die vergleichbar mit jenen im Darm und in den Blutgefäßen sind. Untersuchungen mit lektinmodi- fizierten Mikropartikeln zeigten, dass deutliche Diskrepanzen zwischen den zellgebundenen Partikelmengen unter stationären und dynamis- chen Bedingungen bestehen. Eine Integration von hydrodynamischen Parametern in präklinische biopharmazeutische Testmodelle erscheint demnach äußerst sinnvoll und könnte die Aussagekraft dieser Modelle deutlich erhöhen.
Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass sowohl das entwickelte Chipmodell als auch die erarbeiteten Techniken zur Partikelmodifika-
tion und -detektion vielseitig anwendbares Potential für die biophar- mazeutische Optimierung der Applikation von Wirkstoffen bieten.
Abstract (eng)
The application of micro- and nanoparticles as drug carrier systems represents a highly promising approach to biopharmaceutically im- prove the administration of drugs. The interaction of particles with tissues of the human body will be determined by their size and most importantly surface characteristics. Consequently, modification of the particle surface with bioadhesive molecules could represent a potent means for controlling the residence time and localization of particles in the body.
In the present thesis it was investigated to what extent ionic and biorecognitive interactions can be employed for mediating the adhesion of particles to epithelial and endothelial cells. By adsorption of the cationic polyelectrolyte poly(ethylene imine) (PEI) the zeta potential of negatively charged polymer particles was inverted. As a consequence of this surface modification a 3-fold higher binding of microparticles and 5-fold higher binding of nanoparticles to artificial intestinal epithelium was observed. However, a general transfer of these results to other cell types does not seem possible since positively charged particles were not characterized by preferential binding to primary endothelial cells.
In order to enhance the specific bioadhesion of micro- and nanopar- ticles, covalent conjugation with wheat germ agglutinin (WGA) was employed. As a consequence of the interaction between the surface- bound lectin and carbohydrates in the glycocalyx, a 73-fold enhanced binding as compared to plain colloids was observed. This underlines that modification with lectins represents a promising concept for im- proving the bioadhesive properties of particulate drug carrier systems.
Usually, bioadhesion studies are performed under stationary con- ditions. However, upon peroral as well as parenteral administration hydrodynamic forces will act on the particles. This might substantially influence their interaction with the tissue. In order to facilitate stud- ies on the effects of flow on bioadhesion, a miniaturized chip-based microfluidic system was developed. By controlled generation of sur- face acoustic waves (SAWs) fluids can be controllably actuated in this tissue-culture compatible device. Thereby, hydrodynamic conditions comparable with those in the gastrointestinal tract and in the circulatory system can be generated in vitro. This flow model was employed to in- vestigate the influence of shear forces on the binding of WGA-modified and plain microparticles to epithelial monolayers. Clear discrepancies between the number of cell-associated particles under stationary and flow conditions were observed. These results illustrate that an inte- gration of flow into preclinical biopharmaceutical test systems might enable an improved understanding of bioadhesion in a physiological environment.
The developed tissue-chip hybrid for flow studies as well as the techniques for surface modification and particle detection will represent versatile tools for future studies dealing with the biopharmaceutical optimization of drug administration.
Keywords (eng)
bioadhesionmicroparticlesnanoparticleschipsurface acoustic wavesSAWpolyelectrolyteselectron microscopyWGAlectinsflowendotheliumepitheliumPLGAcell-bindingmicrofluidics
Keywords (deu)
BioadhesionMikropartikelNanopartikelChipakustische OberflächenwelleSAWPolyelektrolyteElektronenmikroskopieWGALektineFlussEndothelEpithelPLGAZellbindungMikrofluidik
Subject (deu)
Subject (deu)
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Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1267916
Number of pages
204
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