Intravitreal liposomes as ocular drug delivery systems : vitreal interactions, retinal permeation and drug release characteristics

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7352-2
Title: Intravitreal liposomes as ocular drug delivery systems : vitreal interactions, retinal permeation and drug release characteristics
Author: Tavakoli, Shirin
Other contributor: Helsingin yliopisto, farmasian tiedekunta
Helsingfors universitet, farmaceutiska fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmaceutical Biosciences
Lääketutkimuksen tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i läkemedelsforskning
Doctoral Programme in Drug Research
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-06-23
Language: en
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7352-2
http://hdl.handle.net/10138/330518
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The prevalence of vision-threatening diseases of the posterior eye segment, such as age-related macular degeneration (AMD), diabetic retinopathy, diabetic macular edema and glaucoma, is increasing worldwide. This is a major burden to patients and health care systems. Current therapy includes intravitreal injections of anti-angiogenic agents against vascular endothelial growth factor (VEGF), because drug delivery to the back of the eye is hampered by anatomical and physiological barriers. Intravitreal injections are uncomfortable, may cause adverse reactions and reduced compliance leading to suboptimal treatment outcomes. Furthermore, current anti-VEGF drugs are not effective in all patients. Therefore, new drugs and delivery systems for targeted and prolonged action are needed for posterior segment eye treatment. Nanoparticles have been investigated as a long-acting and targeted ocular drug delivery systems that may prolong actions of small molecule drugs (e.g. corticosteroids and tyrosine kinase inhibitors) with short vitreal half-lives. Nanoparticles are also important for delivery of labile therapeutics with intracellular targets, including some proteins, neuroprotective peptides and nucleic acids (RNA, DNA). However, several barriers hamper retinal delivery of intravitreal nanoparticles and interspecies differences may lead to poor clinical translation. Hence, the overall objective of this study was to generate improved understanding of ocular barriers to retinal delivery of nanoparticles by using translationally valid preclinical models. We systematically studied vitreal diffusion of various liposomes and other lipid-based nanoparticles by analyzing the mobility of the nanoparticles with single particle tracking in intact porcine central vitreous with similar structure to human vitreous. We evaluated the physicochemical features of nanoparticles affecting their vitreal mobility (e.g. particle size, surface change, surface coating with polyethylene glycol or hyaluronic acid). Neutral and anionic liposomes showed faster diffusion than cationic liposomes. Small size and polymer coating modestly facilitated vitreal mobility of liposomes. Kinetic analysis demonstrated that nanoparticles’ distribution in the human vitreous is controlled by convection rather than diffusion, while vitreous liquefaction may increase the role of nanoparticle diffusion. We also studied protein corona formation on liposomes’ surface, since it may affect the hydrodynamic diameter and cellular interactions. In this regard, surface plasmon resonance analysis was performed to monitor the protein corona formation in the presence of porcine vitreous. Insignificant size change was seen indicating that vitreal diffusion is not influenced by protein corona. In addition, high-resolution proteomics confirmed identity of the proteins on liposomal surface that may change the biological interactions of the liposomes. Next, retinal permeation of liposomes was studied systematically using ex vivo analyses and bovine retinal explants. Neutral and anionic liposomes with high vitreal mobility were studied for their potential in overcoming the ILM barrier. Liposomes with diameters over 100 nm fail in retinal entry irrespective of their surface charge, while small anionic PEG-coated liposomes (<50 nm) distributed into the retina. Lastly, a liposomal formulation was developed to encapsulate sunitinib, a small molecule anti-neovascular drug for VEGF suppression. Unlike sunitinib solution, the liposomal formulation showed anti-neovascular effect in laser induced mouse choroidal neovascularization model. In summary, this study extended understanding of the retinal drug delivery barriers related to the intravitreal injections. It also informed about the role of nanoparticles’ characteristics on their interactions with ocular barriers. These findings can be leveraged in understanding pharmacokinetics and design of retinal drug delivery systems.Silmän takaosan näköä uhkaavien sairauksien, kuten makulan ikärappeuman (AMD), diabeettisen retinopatian, diabeettisen makulan turvotuksen ja glaukooman, esiintyvyys kasvaa maailmanlaajuisesti. Tämä on suuri taakka potilaille, terveydenhuollolle ja yhteiskunnalle. Nykyisin AMD:n hoito käsittää anti-angiogeenisten lääkeaineiden injektioita silmän lasiaiseen. Injektiot estävät verisuonten endoteelin kasvutekijän (VEGF) toimintaa. Lääkkeet on ruiskutettava silmän sisään, koska anatomiset ja fysiologiset esteet vaikeuttavat niiden pääsyä silmän takaosaan. Lasiais injektiot ovat epämiellyttäviä, voivat aiheuttaa haittavaikutuksia ja heikentää hoitomyöntyvyyttä, mikä voi edelleen heikentää hoidon tuloksia. Lisäksi nykyiset anti-VEGF-lääkkeet eivät ole tehokkaita kaikilla potilailla. Uusia lääkkeitä ja lääkkeen saattomenetelmiä tarvitaan silmän takaosan tautien hoitoon. Nanohiukkasia on tutkittu pitkävaikutteisina ja kohdennettuina silmän lääkeaineen saaton menetelminä, joilla voidaan pidentää pienimolekyylisten lääkkeiden (esim. kortikosteroidit ja tyrosiinikinaasin estäjät) vaikutusta lasiaisinjektion jälkeen. Nanohiukkaset ovat lupaavia myös labiilien ja solujen sisällä vaikuttavien lääkeaineiden annossa (mm. peptidit, proteiinit, DNA ja RNA). Useat biologiset esteet vaikeuttavat silmän sisään injisoitujen nanohiukkasten pääsyä silmän verkkokalvoon ja lajien väliset erot vaikeuttavat kliinistä translaatiota. Tämän tutkimuksen yleistavoitteena oli tuottaa tietoa nanohiukkasten kulkeutumisesta silmässä käyttämällä relevantteja prekliinisiä menetelmiä. Tutkimme systemaattisesti liposomien ja muiden lipidipohjaisten nanohiukkasten diffuusiota silmän lasiaisessa ex vivo. Leimattujen nanohiukkasten liikkuvuutta seurattiin yksittäisiä hiukkasten tasolla sian lasiaisessa. Analysoimme nanohiukkasten fysikaalis-kemialliset ominaisuudet, jotka vaikuttivat niiden liikkuvuuteen lasiaisessa (esim. hiukkaskoko, pinnan varaus, pinnan päällystäminen polyetyleeniglykolilla tai hyaluronihapolla). Neutraaleilla ja anionisilla liposomeilla diffuusio oli nopeampaa kuin kationisilla liposomeilla. Pieni koko ja polymeeripäällyste helpottivat hiukan liposomien liikkuvuutta lasiaisessa. Kineettinen analyysi osoitti, että nanohiukkasten jakautumiseen ihmisen lasiaisessa vaikuttaa pääasiassa konvektio, mutta lasiaisen nesteytyminen voi lisätä diffuusion roolia. Tutkimme myös proteiinikoronan muodostumista liposomien pinnalle, koska se voi vaikuttaa hiukkasten hydrodynaamiseen halkaisijaan ja interaktioihin solujen kanssa. Tätä tutkittiin pintaplasmoniresonanssin avulla sian lasiaisessa. Liposomien koko muuttui vain vähän eikä proteiinikorona todennäköisesti vaikuta hiukkasten liikkuvuuteen lasiaisessa. Korkean resoluution proteomiikan avulla selvitettiin, mitä proteiineja liposomien pintaan tarttui. Proteiinit saattavat muuttaa liposomien biologisia vuorovaikutuksia solujen kanssa. Niiden pääsyä verkkokalvoon tutkittiin systemaattisesti käyttäen ex vivo -analyysejä eristetyllä naudan verkkokalvolla. Neutraalien ja anionisten liposomien pääsyä verkkokalvoon tutkittiin histologian avulla. Halkaisijaltaan yli 100 nm liposomit eivät penetroituneet verkkokalvoon riippumatta niiden pintavarauksesta, kun taas pienet anioniset PEG-päällystetyt liposomit (< 50 nm) pääsevät verkkokalvoon. Lopuksi kehitettiin liposomaalinen formulaatio kapseloimaan sunitinibi, pienimolekyylinen anti-neovaskulaarinen lääke VEGF:n estoon. Päinvastoin kuin sunitinibin liuos, liposomaalinen formulaatio osoitti anti-neovaskulaarista vaikutusta laserilla indusoidussa hiiren suonikalvon neovaskularisaatiomallissa. Tutkimus laajensi ymmärrystä lasiaisinjektioihin liittyvistä lääkkeiden kulkeutumisen esteistä silmässä. Lisätietoa saatiin erityisesti nanohiukkasten vuorovaikutuksista silmän kudosten kanssa. Näitä havaintoja voidaan hyödyntää verkkokalvoon vaikuttavien lääkkeiden kehityksessä.
Subject: biopharmacy
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Shirin_Tavakoli_dissertation_23062021.pdf 2.487Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record