Title (eng)
Mesoporous silica nanocarriers
from enzyme confinement to oral delivery of peptide drugs and biologics
Author
Advisor
Freddy Kleitz
Assessor
Eleonora Hendrika Gertruda Mezger-Backus
Eva Roblegg
Abstract (deu)
Nach mehr als einem Jahrhundert Forschung zur oralen Verabreichung von Peptidarzneimitteln und Biologika, bleibt die klinische Anwendung unverändert, insbesondere aufgrund der Herausforderung die gastrointestinale Barriere zu überwinden bevor der systemische Kreislauf erreicht werden kann. Die beträchtliche Größe und komplexe Strukturen dieser Makromoleküle schränken zusätzlich ihre Löslichkeit und daraus folgend auch die Bioverfügbarkeit sowie pharmakologische Aktivität nach der Beladung ein. Mesoporöse Silica-Nanopartikel zeigen bereits ein erhöhtes Potential als Arzneimittelträger für die orale Verabreichung. Dennoch müssen vor einer praktischen Anwendung noch einige offene Fragen im Zusammenhang mit der Kolloidalen Stabilität, Kontrolle der Medikamenten-Freisetzungsrate, Erhöhung der Darmpermeabilität, und Mucoadhäsion beantwortet werden. Zu diesem Zweck wurde ein rationales Synthesedesign durchgeführt, um geordnete mesoporöse Materialen (d. h. MCM-48 und SBA-15) sowie dendritische Nanopartikel (DMSNs) zu erhalten. Zunächst wurde die funktionelle Pilztyrosinase Agaricus bisporus Polyphenol Oxidase 4 (AbPPO4) als Modell ausgewählt und in SBA-15-Mesoporen immobilisiert, um die Struktur kleiner Phenolverbindungen zu bestimmen. Die dadurch erhaltene verbesserte katalytische Leistung und die erhöhte Stabilität des adsorbierten AbPPO4 zeigten die potenziellen Vorteile dieser auf Siliziumdioxid basierenden Materialien als Makromolekülträger, indem sie einen angemessenen Enzymeinschluss unter Beibehaltung der biologischen Aktivität gewährleisten. Zusätzlich wurden unterschiedliche Interaktionen von kugelförmigen, stäbchenförmigen und virusähnlichen Nanopartikeln in einem Caco-2/HT29-MTX-E12 Modell untersucht. Die Beiträge von Form, Seitenverhältnis, Oberflächenrauheit und Größe wurden bezüglich ihres Einflusses auf die Mucus-Schicht und der intrazellulären Aufnahmewege bewertet. Für die Funktionalisierung von DMSNs wurden mehrere „post-grafting“ Strategien (nachgelagerte kovalente Bindungen) implementiert, um den Einfluss der Oberflächenchemie, Ladung und kolloidalen Stabilität auf die biologische Leistung der Nanopartikel in Kontakt mit diesem intestinalen Zellmodell zu untersuchen. Dadurch wurde der Partikeltransport durch den Mucus, sowie die parazelluläre Permeabilität, der Zwischenzellabstand, und die chemischen Modifizierung der Zellverbindungen effektiv gesteuert. Schließlich wurden Formulierungen für die orale Verabreichung von Insulin durch Mischen von succinylierten β-Lactoglobulin mit nativen und funktionalisierten DMSNs, die zuvor mit dem Arzneimittel beladen wurden, hergestellt. Der Einschluss von Insulin verhinderte einen enzymatischen Abbau des Arzneimittels, während der Einbau der Nanoträger in pH-empfindliche Proteintabletten eine vorzeitige Freisetzung im Magen verhinderte und so ein effizienter Insulintransport in den Darm ermöglicht wird. Die Zellaufnahme von DMSNs in intestinalen Zellen wurde unter Verwendung der HCEC-1CT Darmepithelzelllinie durch Imaging lebender Zellen, intrazelluläre Insulinquantifizierung und Bestimmung des metabolischen Status und Insulinaktivität nach der Aufnahme für in vivo Tests untersucht. Diese Arbeit liefert wertvolle Einblicke in das Design von mesoporöser Silica-Materialien als Nanocarrier für bioaktive Makromoleküle, wobei der Schwerpunkt auf Anwendungen mit umweltbezogenen und biomedizinischen Fokus liegt. Entscheidende Aspekte wie Synthese, maßgeschneiderte Funktionalisierung und Optimierung der Formulierungen für eine kontrollierte Freisetzung wurden berücksichtigt. Innovative Methoden wurden entwickelt, um die Leistung derartiger Nanocarrier im Kontakt mit Zellmodellen hinsichtlich ihrer herausragenden Verwendung bei der oralen Arzneimittelverabreichung zu bewerten.
Abstract (eng)
Despite more than a century of research to achieve oral delivery of peptide drugs and biologics, the current clinical reality remains unchanged in terms of therapeutic administration due to the challenge of overcoming gastrointestinal barriers before reaching systemic circulation. Furthermore, the large size and complex structure of these macromolecules limit drug solubility and, therefore, bioavailability and pharmacological activity. Mesoporous silica nanoparticles have displayed unprecedented potential as drug carriers in oral delivery. However, there are still open issues related to colloidal stability, control of release rate, permeation enhancement, and mucoadhesion, which need to be addressed before achieving practical applications. To this aim, synthesis protocols were adjusted to obtain ordered mesoporous materials (i.e., MCM-48 and SBA-15) as well as dendritic nanoparticles (DMSNs). First, the functional mushroom tyrosinase Agaricus bisporus Polyphenol Oxidase 4 (AbPPO4) was chosen as a model and immobilized within SBA-15 mesopores for the structural elucidation of small humic phenols. The improved catalytic performance and enhanced stability of the adsorbed AbPPO4 showed the potential advantages of these silica-based materials as macromolecule carriers, providing appropriate enzyme confinement while retaining biological activity. Differential interactions of spherical, rod-shaped, and virus-like nanoparticles with Caco-2/HT29-MTX-E12 cells were additionally studied. Therefore, contributions of shape, aspect ratio, surface roughness, and size were evaluated considering the influence of the mucus layer and intracellular uptake pathways. Several post-grafting strategies were implemented for the functionalization of spherical DMSNs to additionally examine the impact of surface chemistry, charge, and colloidal stability on the biological performance of the nanoparticles in contact with the intestinal cells. Thus, particle penetration through the mucus, as well as paracellular permeation, intracellular distances, and chemical modulation of cell junctions, were effectively tuned. Finally, formulations for oral administration of insulin were prepared by mixing succinylated β-lactoglobulin with plain and functionalized DMSNs previously loaded with the drug. Insulin confinement avoided enzymatic drug degradation, while the incorporation of the nanocarriers in pH-sensitive protein tablets prevented premature gastric release, allowing efficient insulin transport in intestinal conditions. The ability of insulin-loaded DMSNs to be internalized by intestinal cells was tested using non-transformed human epithelial colon cells (HCEC) through live cell imaging, intracellular insulin quantification, and benchmarking the biological activity of insulin uptake with respective cell metabolic status as crucial aspects prior to in vivo testing. This thesis provides valuable insights into the design of mesoporous silica materials as carriers for bioactive macromolecules, with a focus on applications from both environmental and biomedical perspectives. Crucial aspects such as synthesis, tailored functionalization, testing of the biological activity of the confined cargoes, and optimization of the formulations for controlled release were considered. Innovative methodologies were also developed to evaluate the performance of such nanocarriers in contact with intestinal cell models towards their prominent use in oral drug delivery.
Keywords (deu)
PeptidarzneimittelnBiologikaorale Arzneimittelverabreichungmesoporöse Silica-NanopartikelMaterialwissenschaftenDarmepithelzelllinieDarmpermeabilitätEnzymeenzymatische KatalyseArzneimittelträger
Keywords (eng)
peptide drugsbiologicsoral drug deliverymesoporous silicamaterials scienceintestinal cellsenzymesenzymatic catalysisnanocarriersintestinal permeability
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:2073622
rdau:P60550 (deu)
X, 314 Seiten : Illustrationen
Number of pages
330
Association (deu)
Title (eng)
Mesoporous silica nanocarriers
from enzyme confinement to oral delivery of peptide drugs and biologics
Author
Abstract (deu)
Nach mehr als einem Jahrhundert Forschung zur oralen Verabreichung von Peptidarzneimitteln und Biologika, bleibt die klinische Anwendung unverändert, insbesondere aufgrund der Herausforderung die gastrointestinale Barriere zu überwinden bevor der systemische Kreislauf erreicht werden kann. Die beträchtliche Größe und komplexe Strukturen dieser Makromoleküle schränken zusätzlich ihre Löslichkeit und daraus folgend auch die Bioverfügbarkeit sowie pharmakologische Aktivität nach der Beladung ein. Mesoporöse Silica-Nanopartikel zeigen bereits ein erhöhtes Potential als Arzneimittelträger für die orale Verabreichung. Dennoch müssen vor einer praktischen Anwendung noch einige offene Fragen im Zusammenhang mit der Kolloidalen Stabilität, Kontrolle der Medikamenten-Freisetzungsrate, Erhöhung der Darmpermeabilität, und Mucoadhäsion beantwortet werden. Zu diesem Zweck wurde ein rationales Synthesedesign durchgeführt, um geordnete mesoporöse Materialen (d. h. MCM-48 und SBA-15) sowie dendritische Nanopartikel (DMSNs) zu erhalten. Zunächst wurde die funktionelle Pilztyrosinase Agaricus bisporus Polyphenol Oxidase 4 (AbPPO4) als Modell ausgewählt und in SBA-15-Mesoporen immobilisiert, um die Struktur kleiner Phenolverbindungen zu bestimmen. Die dadurch erhaltene verbesserte katalytische Leistung und die erhöhte Stabilität des adsorbierten AbPPO4 zeigten die potenziellen Vorteile dieser auf Siliziumdioxid basierenden Materialien als Makromolekülträger, indem sie einen angemessenen Enzymeinschluss unter Beibehaltung der biologischen Aktivität gewährleisten. Zusätzlich wurden unterschiedliche Interaktionen von kugelförmigen, stäbchenförmigen und virusähnlichen Nanopartikeln in einem Caco-2/HT29-MTX-E12 Modell untersucht. Die Beiträge von Form, Seitenverhältnis, Oberflächenrauheit und Größe wurden bezüglich ihres Einflusses auf die Mucus-Schicht und der intrazellulären Aufnahmewege bewertet. Für die Funktionalisierung von DMSNs wurden mehrere „post-grafting“ Strategien (nachgelagerte kovalente Bindungen) implementiert, um den Einfluss der Oberflächenchemie, Ladung und kolloidalen Stabilität auf die biologische Leistung der Nanopartikel in Kontakt mit diesem intestinalen Zellmodell zu untersuchen. Dadurch wurde der Partikeltransport durch den Mucus, sowie die parazelluläre Permeabilität, der Zwischenzellabstand, und die chemischen Modifizierung der Zellverbindungen effektiv gesteuert. Schließlich wurden Formulierungen für die orale Verabreichung von Insulin durch Mischen von succinylierten β-Lactoglobulin mit nativen und funktionalisierten DMSNs, die zuvor mit dem Arzneimittel beladen wurden, hergestellt. Der Einschluss von Insulin verhinderte einen enzymatischen Abbau des Arzneimittels, während der Einbau der Nanoträger in pH-empfindliche Proteintabletten eine vorzeitige Freisetzung im Magen verhinderte und so ein effizienter Insulintransport in den Darm ermöglicht wird. Die Zellaufnahme von DMSNs in intestinalen Zellen wurde unter Verwendung der HCEC-1CT Darmepithelzelllinie durch Imaging lebender Zellen, intrazelluläre Insulinquantifizierung und Bestimmung des metabolischen Status und Insulinaktivität nach der Aufnahme für in vivo Tests untersucht. Diese Arbeit liefert wertvolle Einblicke in das Design von mesoporöser Silica-Materialien als Nanocarrier für bioaktive Makromoleküle, wobei der Schwerpunkt auf Anwendungen mit umweltbezogenen und biomedizinischen Fokus liegt. Entscheidende Aspekte wie Synthese, maßgeschneiderte Funktionalisierung und Optimierung der Formulierungen für eine kontrollierte Freisetzung wurden berücksichtigt. Innovative Methoden wurden entwickelt, um die Leistung derartiger Nanocarrier im Kontakt mit Zellmodellen hinsichtlich ihrer herausragenden Verwendung bei der oralen Arzneimittelverabreichung zu bewerten.
Abstract (eng)
Despite more than a century of research to achieve oral delivery of peptide drugs and biologics, the current clinical reality remains unchanged in terms of therapeutic administration due to the challenge of overcoming gastrointestinal barriers before reaching systemic circulation. Furthermore, the large size and complex structure of these macromolecules limit drug solubility and, therefore, bioavailability and pharmacological activity. Mesoporous silica nanoparticles have displayed unprecedented potential as drug carriers in oral delivery. However, there are still open issues related to colloidal stability, control of release rate, permeation enhancement, and mucoadhesion, which need to be addressed before achieving practical applications. To this aim, synthesis protocols were adjusted to obtain ordered mesoporous materials (i.e., MCM-48 and SBA-15) as well as dendritic nanoparticles (DMSNs). First, the functional mushroom tyrosinase Agaricus bisporus Polyphenol Oxidase 4 (AbPPO4) was chosen as a model and immobilized within SBA-15 mesopores for the structural elucidation of small humic phenols. The improved catalytic performance and enhanced stability of the adsorbed AbPPO4 showed the potential advantages of these silica-based materials as macromolecule carriers, providing appropriate enzyme confinement while retaining biological activity. Differential interactions of spherical, rod-shaped, and virus-like nanoparticles with Caco-2/HT29-MTX-E12 cells were additionally studied. Therefore, contributions of shape, aspect ratio, surface roughness, and size were evaluated considering the influence of the mucus layer and intracellular uptake pathways. Several post-grafting strategies were implemented for the functionalization of spherical DMSNs to additionally examine the impact of surface chemistry, charge, and colloidal stability on the biological performance of the nanoparticles in contact with the intestinal cells. Thus, particle penetration through the mucus, as well as paracellular permeation, intracellular distances, and chemical modulation of cell junctions, were effectively tuned. Finally, formulations for oral administration of insulin were prepared by mixing succinylated β-lactoglobulin with plain and functionalized DMSNs previously loaded with the drug. Insulin confinement avoided enzymatic drug degradation, while the incorporation of the nanocarriers in pH-sensitive protein tablets prevented premature gastric release, allowing efficient insulin transport in intestinal conditions. The ability of insulin-loaded DMSNs to be internalized by intestinal cells was tested using non-transformed human epithelial colon cells (HCEC) through live cell imaging, intracellular insulin quantification, and benchmarking the biological activity of insulin uptake with respective cell metabolic status as crucial aspects prior to in vivo testing. This thesis provides valuable insights into the design of mesoporous silica materials as carriers for bioactive macromolecules, with a focus on applications from both environmental and biomedical perspectives. Crucial aspects such as synthesis, tailored functionalization, testing of the biological activity of the confined cargoes, and optimization of the formulations for controlled release were considered. Innovative methodologies were also developed to evaluate the performance of such nanocarriers in contact with intestinal cell models towards their prominent use in oral drug delivery.
Keywords (deu)
PeptidarzneimittelnBiologikaorale Arzneimittelverabreichungmesoporöse Silica-NanopartikelMaterialwissenschaftenDarmepithelzelllinieDarmpermeabilitätEnzymeenzymatische KatalyseArzneimittelträger
Keywords (eng)
peptide drugsbiologicsoral drug deliverymesoporous silicamaterials scienceintestinal cellsenzymesenzymatic catalysisnanocarriersintestinal permeability
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:2085356
Number of pages
330
Association (deu)
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