Mesoporous silicon systems for oral protein/peptide-based diabetes mellitus therapy

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2040-3
Title: Mesoporous silicon systems for oral protein/peptide-based diabetes mellitus therapy
Author: Shrestha, Neha
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmaceutical Chemistry and Technology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-04-01
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2040-3
http://hdl.handle.net/10138/160833
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Regardless of the considerable efforts, there have been no major breakthroughs in the development of effective oral protein/peptide delivery. When compared to parenteral administration, oral delivery can significantly improve the patients quality of life, especially in chronic conditions, such as diabetes mellitus (DM), which requires multiple injections daily. However, oral absorption of proteins/peptides is severely limited by their physico-chemical properties and various physiological barriers in the gastrointestinal tract. Porous silicon (PSi) has emerged as a promising drug delivery system, owing to its beneficial properties, such as top-down production, customizable particle and pore morphology, easy surface modification, simple drug loading, biodegradability and biocompatibility. Thus, the aim of this dissertation was to develop a multifunctional PSi based platforms that would be able to overcome the physiological barriers and efficiently deliver insulin and glucagon-like peptide-1 (GLP-1) orally. First, the influence of different PSi surface chemistries was evaluated on the intestinal transport of insulin. Due to the negatively charged surface of PSi, there was minimal interactions with the intestinal cells. Thus, chitosan, a polycationic mucoadhesive biopolymer with permeation enhancing effect, was used to modify the surface of the PSi microparticles. When comparing different surface modification techniques, chemical conjugation of chitosan to PSi exhibited strongest cellular interaction, and the highest insulin permeation and uptake across the intestinal cell monolayers. Secondly, three different nanoparticles (NPs) were developed based on lipids, polymers and PSi, with and without chitosan coating, and evaluated as potential oral GLP-1 delivery system. The results showed that the chitosan-modified PSi NPs were the most efficient nanosystem with the best loading degree and the highest GLP-1 permeation across the cellular monolayer. To overcome several physiological barriers, the next step was to develop a multistage nanocomposite comprising of chitosan-conjugated PSi NPs that were coated with a pH responsive polymer, in order to deliver GLP-1 and dipeptidylpeptidase-4 (DPP4) inhibitor simultaneously via the oral route. This multistage nanosystem showed enhanced GLP-1 transport across the intestinal cell monolayers and across the rat intestinal tissue. Furthermore, the nanosystem also demonstrated hypoglycemic effect in vivo after the oral administration in diabetic rats. The efficacy of the nanosystem could be attributed to the combined effect of the permeation enhancing chitosan-modified PSi NPs, the presence of DPP4 inhibitor that prevented GLP-1 degradation, and the pH responsive coating that helped in avoiding premature GLP-1 release/degradation in the stomach. Moreover, it was shown that the mucoadhesivity and permeation enhancing ability of chitosan-modified PSi NPs could be significantly increased by further surface modification of NPs with either L-cysteine or cell-penetrating peptide (CPP). It was disclosed that electrostatic interactions between the NPs and the glycocalyx were the most prominent pathway for the transport and uptake of insulin from the NPs, together with the contribution of active transport, adsorptive endocytosis and clathrin-mediated endocytosis. Overall, advanced PSi-based systems were developed which successfully overcame several limitations associated with the oral delivery of biomacromolecules, and thus, showed high clinical potential as oral protein/peptide delivery systems for DM therapySuun kautta annettavaa proteiini- tai peptidilääkettä ei ole suurista ponnistuksista huolimatta vielä onnistuttu kehittämään. Pitkäaikaisissa sairauksissa, kuten diabeteksessa, joudutaan antamaan useita insuliini-injektioita päivittäin, vaikka potilaan kannalta olisi mukavinta ottaa lääke suun kautta. Imeytyminen suun kautta annosteltuna, erityisesti proteiini- ja peptidilääkkeillä, on hyvin rajallista niiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien sekä ruuansulatuskanavan rakenteen takia. Huokoinen pii on lupaava materiaali lääkeaineiden annossa; ne on melko helppo valmistaa, niiden kokoa on helppo säädellä, huokosten kautta sisään voidaan kapseloida lääkeainetta, materiaalina se on hyvin siedettyä ja se on biohajoava. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli kehittää sopiva huokoisiin piihiukkasiin perustuva lääkkeenkuljetin, jotta insuliinia ja GLP-1 peptidiä voidaan antaa suun kautta. Aluksi piihiukkasten pinnan kemiallisia ominaisuuksia tutkittiin, jotta saataisiin selville miten erilaiset piihiukkaset vaikuttaisivat insuliinin kulkeutumiseen suolistossa. Koska piihiukkasten pinta on negatiivisesti varautunut, niillä oli vähäinen vuorovaikutus ohutsuolen solujen kanssa. Lisäämällä kitosaania piihiukkasten pintaan, niiden varaus voitiin muuttaa positiiviseksi ja näin parantaa soluun kulkeutumista. Paras tapa liittää kitosaania hiukkasten pintaan oli kemiallinen konjugaatio. Näin valmistetut piihiukkaset aikaansaivat vahvimmat vuorovaikutukset solujen kanssa ja paransivat eniten solujen kykyä ottaa hiukkasia sisään. Jatkossa kehitettiin kolme erilaista nanohiukkasta lipidipohjainen, polymeeripohjainen ja huokoinen pii kitosaanilla muokattuna tai ilman sitä joiden soveltuvuutta oraalisessa GLP-1 proteiinin annossa tutkittiin. Näistä kitosaanilla muokatut piihiukkaset osoittautuivat tehokkaimmiksi kuljettamaan GLP-1 proteiinia solukerroksen läpi. Kitosaanilla päällystettyjä piihiukkasia kehitettiin lisää siten, että niihin lisättiin polymeeri, joka liukenee vain tietyssä pH:ssa. Näitä hiukkasia käytettiin kuljettamaan yhdessä GLP-1 peptidiä sekä DPP4 entsyymin estäjää. Tämä paransi GLP-1 peptidin kulkeutumista ohutsuolta mallintavien solujen läpi ja toimi samoin myös rotilla. Diabetesta sairastaville rotille annettuna nämä hiukkaset alensivat verensokeria. Tämä vaikutus voitiin selittää sillä, että kitosaanin vaikutuksesta hiukkaset läpäisivät soluja paremmin ja DPP4 entsyymin estäjän vaikutuksesta GLP-1 peptidi ei hajonnut niin helposti. Lisäksi pH herkkä polymeeri piihiukkasen pinnalla esti GLP-1 peptidin enneaikaisen vapautumisen ja hajoamisen mahassa. Muuttamalla kitosaanilla päällystettyjä huokoisia piihiukkasia lisää siten, että pinnallle kiinnitettiin L-kysteiini aminohappoa tai soluunottoa parantavaa CPP-peptidiä, voitiin parantaa lisää hiukkasten ominaisuutta kiinnittyä limakalvoon ja parantaa solujen läpäisevyyttä. Sähköstaattiset vuorovaikutukset nanohiukkasten ja solujen välillä oli tärkein mekanismi insuliinin soluihin kulkeutumisessa yhdessä aktiivisen kuljetuksen ja endosytoosin (adsorptio ja klatriinivälitteinen) kanssa. Väitöskirjatutkimuksessa onnistuttiin kehittämään huokoisiin piihiukkasiin perustuvia kehittyneitä insuliinin ja GLP-1 peptidin kuljetussysteemejä, joilla pystyttiin parantamaan näiden lääkeaineiden
Subject: Pharmaceutical Technology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
mesoporo.pdf 15.73Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record