Evaluation of radiolabeled stimuli-sensitive nanogels for application in nuclear medicine

• Evaluierung radiomarkierter Stimuli-sensitiver Nanogele für die Anwendung in der Nuklearmedizin

Drude, Natascha Ingrid; Möller, Martin (Thesis advisor); Mottaghy, Felix M. (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Radiomarkierte Peptide, Proteine (Antikörper) oder allgemein makromolekulare sowie niedermolekulare Strukturen, aber auch Isotope von z.B. Halogenen (Radioiodtherapie), erlauben den direkten Transport von Radioaktivität zum Zielgewebe und bilden die Grundlage zur endogenen Radiotherapie. Bis heute haben allerdings nur wenige dieser Therapieansätze ihren Weg in die Klinik bzw. klinische Routine gefunden. Insbesondere im Bereich der Nanomedizin gibt es, trotz zahlloser Forschungsarbeiten, nur wenige Anwendungen selbige Nanoformulierungen als Trägermaterial für Radiomarkierungen und für die endogene Radiotherapie zu validieren und systematisch zu evaluieren. Während die Bildgebung weiterhin auf dem Vormarsch ist und auch im Bereich der nanomedizinischen Forschung zur Untersuchung und Visualisierung von unter anderem Pharmakokinetik mittels beispielsweise nuklearmedizinischer Verfahren wie der Positronen Emissions Tomographie (PET) oder Einzelphotonen Emissions Computer Tomographie (SPECT) Anwendung findet, werden nuklearmedizinisch therapeutische Ansätze seltener verfolgt. Neben den unterschiedlichsten verwendbaren Nanomaterialien (Mizellen, Liposome, Chylomikrone, Eisenoxid Nanopartikel, Goldnanopartikel, etc.) liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf den sogenannten Nanogelen, welche sich, verglichen zu anderen typischen Nanocarriern wie Liposome oder polymere Mizellen, insbesondere durch ihre hydrophile Struktur auszeichnen. Nanogele sind keine starren Kugeln, sondern lassen sich Bewegen ähnlich einem Schwamm. Solche Fluktuationen verhindern u.a. die Adsorption von Proteinen (Entropie) und die wässrige Konsistenz solcher Nanogele minimiert zusätzlich Interaktionen mit Zellen und Proteinen im Blut Pool und erhöht dadurch die Zirkulationszeit. Die Elastizität der quervernetzen Strukturen, welche durch den Vernetzungsgrad verändert werden kann, ermöglicht es den Hydrogelen durch Poren und Öffnungen zu gelangen, welche um ein vielfaches kleiner sein können als ihr hydrodynamischer Radius. Zirkulationszeit gepaart mit einer hohen Flexibilität ist von besonderer Bedeutung für die Ausscheidungswege einerseits und für die passive Anreicherung in Tumoren durch den Enhanced Permeability and Retention (EPR) Effekt andererseits. Die offene Struktur, gepaart mit hoher Hydrophilie steht allerdings im Widerspruch zu einer hohen Beladungsdichte. Im Gegensatz zu Chemotherapeutika ist die Beziehung zwischen Dosis und Effekt im Falle von Radiopharmazeutika nicht nur Konzentrationsabhängig (Aktivitätskonzentration), sondern auch von den Zerfallseigenschaften des Radionuklids. Während ein Auger Elektronen Emitter Zelltod auf einem Einzelzellniveau induzieren kann, hat ein α-Strahler eine Reichweite von 40-80 µm und ein β--Emitter bis zu 10 mm und ist damit in der Lage eine Tiefe von bis zu 100 Zellen (im Tumorgewebe) zu erreichen. Diese Strahlungsdistanz, der sogenannte Cross Fire Effekt kann von Vorteil sein, insbesondere bei Betrachtung von zum Beispiel solider Tumoren die sich durch einen intratumoralen Turgor Effekt auszeichnen. Insgesamt ist die benötigte therapeutisch wirksame Dosis durch Radionuklide um ein vielfaches geringer als die von molekularen Therapeutika. Da die meisten Chelatoren für die Komplexierung von metallischen Radionukliden hydrophiler Natur sind, ist eine Anbindung an Nanogele möglich ohne dabei einen signifikanten Einfluss auf Charakteristik (und damit auf die Pharmakokinetik) des Partikels zu nehmen. Diese Zusammenhänge sollten im Rahmen der vorliegenden Dissertation ausgenutzt werden und Stimuli-sensitive Nanogele als Trägermaterialien für verschiedene Radioisotope präklinisch evaluiert werden. Die Radio-Nanogele wurden diagnostisch (durch Markierung mit Positronen Emittern (β+-Emittern)) in der PET untersucht. Generelle Biodistributionsstudien in gesunden Ratten und Mäusen wurden mit redox-sensitiven Nanogelen verschiedener Größen durchgeführt und zeigten im Rahmen der Beobachtungsdauer eine deutlich größenabhängige renale Ausscheidung, mit einer einhergehenden marginalen, größenunabhängigen Akkumulation in Organen des mononuklearen Phagozytosesystems (MPS). In diesem Zusammenhang zeigten Untersuchungen mittels Gelelektrophorese und Größenauschlusschromatographie Abbauprodukte der redox-sensitiven Nanogele innerhalb der ersten fünf Stunden post Injektion. Dieser vorzeitige Abbau der Nanogele in vivo konnte zum Teil durch die Gabe von Buthionin Sulfoximin (BSO), welches das Glutathion (GSH) Level erniedrigt und damit den oxidativen Stress erhöht, unterdrückt werden. Die Reduktion des GSH Levels führte zu einer verminderten renalen Ausscheidung, allerdings einhergehend mit einer höheren Akkumulation in Leber und Milz. Die bis dahin nicht weiter modifizierten Nanogele sollten durch passive Akkumulation (EPR Effekt) in vivo in Tumorgewebe anreichern, und dort durch die für Tumorzellen charakteristisch höhere GSH Konzentration abgebaut werden. Die resultierenden kleineren (2-5 nm) Polymerketten sollten dann zu einer verbesserten Penetration und einer homogenen Verteilung des Tracers im Tumor führen. Unabhängig von der verwendeten Formulierung, weißt allerdings der EPR Effekt selbst einige Limitationen auf; so ist dieser Effekt sehr heterogen und die Fenestration der Blutgefäße über Raum und Zeit in unterschiedlichen Tumoren variabel und verschieden stark ausgeprägt. Gleichermaßen ist die Dichte der Vaskularisierung und deren Permeabilität, sowie damit einhergehend der Blutfluss heterogen. Die extrazelluläre Matrix und ein interstitialer Flüssigkeitsdruck, ebenso wie Efflux Pumpen mindern, -unabhängig von einer verminderten Lymphdrainage- die Retention der niedermolekulareren Polymeren. Um auch diese Limitation anzugehen, wurden die Nanogele im Rahmen dieser Studie mit Rezeptor/Transporter zielgerichteten Liganden beziehungsweise Molekülen ausgestattet. Diese Modifikation erlaubt ein aktives Targeting der Abbauprodukte unserer hydrogelen Nanopartikeln -und damit eine verbesserte Retention im Tumor. Evaluiert wurde dieses Konzept in somatostatin positiven Pankreas Karzinom Xenografts (Maus Model). Die somatostatin Analoga modifizierten Nanogele wiesen eine bessere Retention, sowie eine homogene Verteilung in der PET auf. Die erhöhte Penetration wurde zusätzlich immunhistologisch durch staining des radiomarkierten Targeting Liganden. In einer weiteren Proof-of-concept Studie wurden Enzym-sensitive Nanogele synthetisiert, mit einem Nukleosid Analoga versehen und einem Liganden (CRM-197) gegen den Dipheteria Toxin Rezeptor (DTR). DTR ist im Falle von Gliomen auf der Blut-Hirn-Schranke (BHS) überexprimiert und CRM-197 kann dazu verwendet werden Partikel via DTR vermittelter Transzytose über die BHS zu transportieren. Dies wurde in einem in vitro BHS-Model untersucht. Während das mit einem Auger Elektronen emittierenden Radionuklid (125I) markierte Thymidin Derivat die BHS nicht in relevanter Konzentration passieren kann, kann das Nanogel den aktiven Transport begünstigen. Die Verwendung eines Auger Elektron Emitters reduziert den sogenannten Cross Fire Effekt und damit die Strahlenschädigung auf umliegendes gesundes Gewebe. Der Rezeptor vermittelte Transport wurde unter anderem durch Verdrängungsexperimente gezeigt. Der Enzymvermittelte Abbau der Nanogele konnte ebenfalls gezeigt werden und das freie Nukleosid Analog zeigte eine Anreicherung in den Glioblastomzellen. Zusammenfassend kann die hier vorgestellte Nanogel-Plattform für verschiedene Krankheitsbilder adaptiert und auf eine Vielzahl von wissenschaftlichen Fragestellungen zugeschnitten werden.

Einrichtungen

• Fachgruppe Chemie [150000]
• Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie [154610]