Traditional and new emerging methods to study drug permeability and drug-cell interactions in early phases of drug discovery (Literature review) : Monitoring drug-cell interactions with surface plasmon resonance technique (Experimental study)

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151218
Title: Traditional and new emerging methods to study drug permeability and drug-cell interactions in early phases of drug discovery (Literature review) : Monitoring drug-cell interactions with surface plasmon resonance technique (Experimental study)
Alternative title: Perinteiset ja uudet menetelmät, joilla tutkitaan lääkeaineen solukalvon läpäisevyyttä sekä lääkeaineen ja solujen välisiä vuorovaikutuksia lääkekehityksen varhaisissa vaiheissa (kirjallisuuskatsaus) : Lääkeaineen ja solujen välisten vuorovaikutusten tutkiminen pintaplasmoniresonanssi-tekniikalla (erikoistyö)
Author: Hallila, Susanna
Other contributor: Helsingin yliopisto, Farmasian tiedekunta
University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Helsingfors universitet, Farmaceutiska fakulteten
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2013
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151218
http://hdl.handle.net/10138/38940
Thesis level: master's thesis
Discipline: Biofarmaci
Biopharmacy
Biofarmasia
Abstract: There is a strong need for new in vitro methods in early drug development that predict in vivo conditions more reliably. One of the prerequisites for successful drug therapy is sufficient permeability. A drug needs to be transported through a cell membrane before it can have a pharmacological effect. Therefore, the drug-cell interactions are studied in the early stage of the drug development process. The literature review of this work covers the traditional in vitro and in silico methods of predicting the permeability of drugs across the intestinal membrane. The widely applied methods are reviewed briefly and the predictability of the methods is evaluated. Moreover, the surface plasmon resonance (SPR) technique is introduced. The principle of SPR and its applications for predicting intestinal permeability using lipid membranes resembling the intestinal membrane and for studying drug-cell interactions are discussed. The advantage of the SPR technique is that it is an optical method which allows real-time monitoring under a constant flow without labeling agents. The aim of the experimental part of this work was to evaluate the suitability of the SPR technique for cell-based studies to monitor drug-cell interactions in native cellular environments. Previously, the SPR technique has been almost merely used in routine biomolecular interaction analysis. Recently, the SPR technique has also been applied to cellbased assays but in those studies the reason for the SPR signal responses is generally poorly discussed. The objective of the experimental study was to evaluate and optimize different cell culturing approaches for living cell sensing for SPR, i.e. cells immobilized on the roof of the PDMS molded flow channel in the SPR instrument and cells immobilized directly on the SPR sensor surface. ARPE-19 cells were immobilized on the PDMS substrates but the challenge of imaging cell monolayers on PDMS molded SPR flow channels suggested that immobilizing the cells directly on the SPR sensor surface would be a more straightforward procedure. Hence, ARPE-19 and MDCKII cell culturing protocols were optimized for successful immobilization of confluent cell monolayers directly on the SPR sensor surface. However, ARPE-19 cells showed poor resistance against shear stress in the flow channel; whereas MDCKII cells showed much better resistance against shear stress in the flow channel. Therefore, only MDCKII cells immobilized on the SPR sensor surfaces were used for drug-cell interaction studies. After three days of culture MDCKII cells were exposed to test compounds in separate SPR measurements. The used test compounds were propranolol, D-mannitol, D-glucose and HSPC:Chol liposomes. During the SPR measurements, the changes in the SPR peak minimum angular position and SPR peak minimum intensity were recorded in real-time, and these were further used for analysis after the measurements. The results showed that clear differences in both SPR signals between propranolol and D-mannitol were observed when the cells were exposed to the test compounds. Propranolol diffuses effectively by the transcellular pathway into cells whereas D-mannitol uses the paracellular pathway. This indicates that the introduced SPR approach may be a potential in vitro method in order to provide real-time information on the permeability of drugs and possibly on cell uptake mechanisms of nanoparticles for a better mechanistic understanding of drug-cell interactions on a cellular level.Lääkekehityksen varhaisiin vaiheisiin tarvitaan uusia, luotettavammin in vivo -tilannetta ennustavia in vitro -tutkimusmenetelmiä. Lääkeaineen täytyy kulkeutua solukalvon läpi ennen kuin se voi päästä vaikutuskohtaansa. Tämän vuoksi lääkeaineen vuorovaikutusta solujen kanssa on tärkeää tutkia lääkekehitysen mahdollisimman varhaisessa vaiheessa. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan perinteisiä in vitro ja in silico -menetelmiä, joita käytetään lääkeaineen imeytymisen ennustamiseen ruoansulatuskanavasta. Katsauksessa kuvataan lyhyesti yleisimmin käytettyjä tutkimusmenetelmiä sekä arvioidaan menetelmien luotettavuutta erityisesti lääkeaineen in vivo -imeytymisen ennustamisessa. Lisäksi katsauksessa esitellään uusi pintaplasmoniresonanssi (SPR)-menetelmä ennustamaan lääkeaineen imeytymistä solukalvon läpi. SPR-menetelmää on käytetty muun muassa lääkeaineen imeytymisen tutkimisessa keinotekoisten lipidikerrosten avulla sekä lääkeaineen ja solujen välisten vuorovaikutusten tutkimisessa SPR-sensorin pinnalla. SPR-menetelmän etuna on, että sillä on mahdollista tutkia lääkeaineen ja solujen välisiä vuorovaikutuksia reaaliaikaisesti, jatkuvassa virtauksessa ja ilman merkkiaineita. Erikoistyön tavoitteena oli selvittää soveltuuko SPR-menetelmä lääkeaineen ja solujen välisten vuorovaikutusten tutkimiseen. SPR-menetelmää on käytetty aiemmin lähinnä biokemiallisissa tutkimuksissa tarkasteltaessa molekyylien välisiä vuorovaikutuksia. Menetelmällä on tehty myös solututkimuksia, mutta niissä on analysoitu yksinkertaistetusti mitattuja signaalin muutoksia. Erikoistyön tavoitteena oli löytää optimoidut olosuhteet, joissa voitaisiin tehdä SPR-solumittauksia. Tavoitteena oli kasvattaa soluja SPR-laitteen PDMS:lla päällystetyn virtauskanaviston pinnalla tai suoraan SPR-sensorin pinnalla. ARPE-19-solut onnistuttiin kasvattamaan yhtenäisenä solukerroksena PDMS:n pinnalla, mutta solukerroksen tarkastelu PDMS-virtauskanaviston pinnalla oli haastavaa. Tämän vuoksi solut päätettiin kasvattaa SPR-sensorin pinnalla. Viljelyolosuhteet optimoitiin siten, että ARPE-19 ja MDCKII-solut kasvoivat yhtenäisenä solukerroksena SPR-sensorilla. Virtausmittauksissa kuitenkin selvisi, että ARPE-19-solut eivät kestäneet puskurin virtauksen aiheuttamia olosuhteita virtauskanavistossa, kun taas MDCKII-solut kestivät niitä hyvin. Tämän vuoksi varsinaiset SPR-mittaukset tehtiin vain MDCKII-soluilla. Kun MDCKII-soluja oli viljelty kolme päivää SPR-sensorin pinnalla, solukerroksen ja tutkimusaineiden välinen vuorovaikutus mitattiin SPR-laitteella erillisissä mittauksissa. Tutkimusaineina käytettiin propranololia, Dmannitolia, D-glukoosia ja HSPC:KOL-liposomeja. Mittauksissa tarkasteltiin SPRminimikulman ja SPR-piikin minimi-intensiteetin muutosta reaaliajassa, kun solukerros altistettiin tutkimusaineille. Tulokset osoittivat, että SPR-menetelmällä voitiin havaita selkeä eroavaisuus molemmissa SPR-signaaleissa propranololin ja D-mannitolin välillä. Propranololi läpäisee solukerroksen transsellulaarisesti, kun taas D-mannitoli käyttää parasellulaarista reittiä. Tämä tarkoittaa, että menetelmällä oli mahdollista erottaa nämä imeytymisreitit toisistaan. Tulokset osoittavat, että SPR-tekniikka voi olla potentiaalinen in vitro -menetelmä tutkimaan lääkeaineiden vuorovaikutuksia solukerroksen kanssa. Menetelmällä olisi mahdollista tutkia esimerkiksi lääkeaineaineiden ja nanopartikkelien imeytymistä reaaliaikaisesti ja ilman merkkiaineita.
Subject: surface plasmon resonance
intestinal absorption
MDCKII cells
propranolol
D-mannitol


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Master_thesis_Susanna_Hallila_Final.pdf 14.47Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record