1,721,005 research outputs found
focus on mucosal delivery with related opportunities, issues, and challenges
Full text linkEfficient pharmacotherapy is mainly dependent on the effective localized delivery of therapeutic agents to the targeted biological site. Many potent therapeutics exhibit detrimental effects owing their systemic administration and off-target interactions. Hence, local drug formulations have become a necessity to optimize current treatments. Such formulations, however, must address, the unsuited physicochemical properties of drug molecules on one hand, and the obstructive nature of the targeted biological barrier on the other. In this context, nanosized drug delivery systems have literally taken modern medicine to a new dimension by providing adaptable vehicles able to transfer and stabilize therapeutics. Responsive nanogels, in particular, offer biocompatible and versatile tools that can be tuned to suit the targeted barrier requirements in order to facilitate smart delivery and controlled release of the payload.
Aiming to overcome the highly challenging dermal and mucus barriers and provide respectively efficient non-invasive formulations of labile biomacromolecules, the goal of this project was the rational investigation of polyglycerol based nanogels exerting two different response mechanisms as promising vehicles for dermal and mucosal applications.
In the dermal delivery approach, thermoresponsive dPG nanogels were modified to exhibit different volume phase transition temperatures (VPTTs) ranging between 33 – 47 °C using PNIPAM and PNIPMAM thermoresponsive polymers. All nanogels demonstrated high protein encapsulation efficiency (>80%), maintained integrity of protein cargo, and exhibited dermal penetration and subsequent VPTT-dependent protein release and delivery to the viable epidermis in excised human skin. Here, the equal co-polymerization of PNIPAM and PNIPMAM yielded nanogels with VPTT ~40 °C, which enabled to expand dermal applications to include using an external thermal trigger like NIR lamp resulting in pronounced protein delivery in a controlled local and temporal manner.
As for the mucosal delivery approach, for the first time redox-responsive dPG nanogels based on PNIPMAM conjugated to a bifunctional disulfide linker were developed and comprehensively investigated for protein delivery across the mucus barrier. Addressing essential prerequisites for mucus permeation, the nanogels physicochemical properties were fine-tuned to yield hydrophilic nanogels with size range between 100 – 200 nm, inert surface, and intact disulfide linkages. Monitoring the interactions between the nanogels and native intestinal mucus, a gradual disulfides-dependent degradation of the nanogels in mucus was confirmed. Furthermore, rheological measurements indicated mucoadhesive interactions between the mucus gel and the disulfides-containing nanogels, meanwhile absorption studies in excised porcine jejunum revealed outstanding mucopenetration of the disulfides-containing nanogels and demonstrated the disulfides merit in facilitating efficient circumvention of the mucus filtering and clearance mechanisms. Similar findings were also confirmed in reconstructed human bronchial epithelial in vitro models following longer exposure period to the nanogels. In addition, the cytocompatibility of the nanogels was also demonstrated in various mucosal epithelial cell types and primary macrophages as well. Next, the therapeutic efficiency of the nanogels in delivering the biological protein-drug etanercept (ETN; 150 kDa) was examined. Here, high loading efficiency along with structural and functional stability of encapsulated ETN were observed. Moreover, in vitro release studies in mucus-relevant redox conditions confirmed ETN retention in the nanogels for several hours and its sustained intact release upon nanogels degradation, which demonstrate the great potential of disulfides-containing nanogels for biomacromolecules delivery. Finally, topical application of ETN-loaded nanogels to human-based in vitro models of small intestinal tissue simulating IBD phenotype and bronchial epithelial tissue demonstrated efficient intraepithelial ETN delivery and subsequent anti-inflammatory effect. Throughout this investigation, serious issues pertaining to structural limitations in the available biological test systems for intestinal mucosa were revealed. Since these shortcomings significantly hamper drug absorption studies, multiple mucosal test systems were employed to validate the findings and allow a comprehensive and reliable assessment.
Overall, this thesis introduces novel stimuli responsive nanogels as versatile and resilient tools for efficient local delivery of biomacromolecules to dermal and mucosal surfaces. It also demonstrates the role of the responsive modalities in facilitating the crossing of impervious biological barriers besides prompting a controlled release of the therapeutic payload. In addition, this work highlights critical problems in currently implemented test systems for predicting mucosal drug delivery and outlines present challenges in translating experimental approaches into tangible clinical success.Eine effiziente Pharmakotherapie hängt hauptsächlich davon ab, dass die therapeutischen Wirkstoffe effektiv an den biologischen Zielort gelangen. Viele potente Therapeutika weisen aufgrund ihrer systemischen Verabreichung und Off-Target Wechselwirkungen nachteilige und sogar schädliche Auswirkungen auf. Daher sind lokale Arzneimittelformulierungen zu einer Notwendigkeit geworden, um die derzeitigen Behandlungen zu optimieren. Solche Formulierungen müssen jedoch berücksichtigen die ungeeigneten physikochemischen Eigenschaften der Wirkstoffmoleküle einerseits, sowie die obstruktiven Eigenschaften der biologischen Zielbarriere andererseits. In diesem Zusammenhang haben Wirkstofftransportsysteme in Nanometer-Größe die moderne Medizin tatsächlich zu einer neuen Dimension gebracht, indem sie sich als flexible Vehikel, die die Therapeutika übertragen und stabilisieren herausgestellt haben. Vor allem responsive Nanogele bieten biokompatible und vielfältige Werkzeuge, die gemäß spezifischen Anforderungen der Zielbarriere angepasst werden können, um eine so genannte „smarte“ Verabreichung und kontrollierte Freisetzung des beladenen Mittels zu ermöglichen.
Mit dem Ziel, die besonders anspruchsvollen Haut- und Schleimhautbarrieren zu überwinden und jeweils effiziente, nicht-invasive pharmazeutische Formulierungen für labilen Biomakromolekülen bereitzustellen, beruht sich der Schwerpunkt dieses Projekts auf die rationale Untersuchung von responsive Nanogele basierend auf Polyglycerin, die zwei unterschiedliche Response-Mechanismen aufweisen, als vielversprechende Transport-systeme für dermale und mukosale Anwendungen.
Für den dermalen Ansatz wurden thermoresponsive Nanogele so modifiziert, dass sie unterschiedliche Volumenphasenübergangstemperaturen (VPTT) zwischen 33 und 47 °C aufweisen, wobei die thermoresponsiven Polymere PNIPAM und PNIPMAM verwendet wurden. Alle Nanogele zeigten eine hohe Protein-Verkapselungseffizienz (>80 %), bewahrten die Integrität des verkapselten Proteins, und konnten eine dermale Penetration mit VPTT-bedingter Freisetzung des Proteins und anschließender Abgabe in die lebensfähige Epidermis in exzidierter menschlicher Haut nachweisen. Durch die gleichmäßige Co-Polymerisation von Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM) und Poly-N-isopropylmethacrylamid (PNIPMAM) führte zu Nanogelen mit einer VPTT von ca. ~40 °C, was eine Erweiterung der dermalen Anwendungen ermöglichte, indem eine Verwendung externer Wärmequellen, wie einer Nahinfrarot-Lampe löst eine ausgeprägte Abgabe von Proteinen in die Haut auf kontrollierte lokale und zeitliche Weise aus.
Was den Schleimhaut Ansatz betrifft, wurden zum ersten Mal Redox-responsive Nanogele aus PNIPMAM Polymer mit bifunktionellen Disulfid-Vernetzer entwickelt und für die Verabreichung von Proteinen über die Schleimbarriere umfassend untersucht. Mit Blick auf die wesentlichen Voraussetzungen für effiziente Mukus-Permeation, wurden die physikochemischen Eigenschaften der Nanogelen feinjustiert, um hydrophile Nanogelen mit einer Größe zwischen 100 und 200 nm, einer inerten Oberfläche, sowie intakten Disulfid-Bindungen zu erhalten. Die Überwachung von Wechselwirkungen zwischen den Nanogelen und nativem Darmschleim bestätigte einen allmählichen Disulfid-abhängigen Abbau der Nanogele in Mukus. Außerdem deuteten rheologische Messungen auf mucoadhäsive Wechselwirkung zwischen Mukus und Disulfid-haltigen Nanogelen hin. Zugleich zeigten Absorptionsstudien in frisch exzidiertem Schweine-Jejunum eine hervorragende Mukopenetration der Disulfid-haltigen Nanogelen und belegten die Vorzüge von Disulfiden in Bezug auf eine effiziente Überwindung der Mukus-korrelierten Filter- und Clearance-Mechanismen. Ähnliche Ergebnisse wurden auch in rekonstruierten menschlichen bronchialen Epithelmodellen in vitro nach längerer Expositionsdauer zu den Nanogelen bestätigt. Zudem wurde die Zytokompatibilität der Nanogelen auch in verschiedenen Schleimhautepithelzelltypen sowie primären Makrophagen nachgewiesen.
Als Nächstes wurde die therapeutische Effizienz der Nanogelen bei der Verabreichung vom Biologikum-Protein Etanercept (ETN; 150 kDa) untersucht. Dabei wurden eine hohe Verkapslungs-effizienz sowie eine strukturelle und funktionelle Stabilität des verkapselten ETN festgestellt. Zudem ergaben in vitro Freisetzungsstudien unter Mukus-relevanten Redox-Bedingungen, dass ETN mehrere Stunden lang in den Nanogelen aufbewahrt geblieben ist und weiterhin schrittweise unversehrt freigesetzt wurde beim Abbau der Nanogelen, was das große Potenzial von Disulfid-haltigen Nanogelen für die Verabreichung von Biomakromolekülen belegte. Die topische Anwendung von ETN-beladenen Nanogelen auf humane in vitro Modelle des Dünndarmgewebes, die das Krankheitsbild der chronisch-entzündlichen Darmerkrankung (IBD) simulieren, und auf bronchiales Epithelgewebe zeigten schließlich eine effiziente intraepitheliale ETN Verabreichung und entsprechende entzündungshemmende Wirkung. Im Laufe dieser Untersuchung wurden ernste Probleme in Bezug auf strukturelle Einschränkungen in den verfügbaren biologischen Testsystemen für die Darmschleimhaut festgestellt. Da solche Mängel die Studien zur Arzneimittelabsorption erheblich beeinträchtigen, wurden mehrere Schleimhaut-Testsysteme hierzu eingesetzt, um die Ergebnisse zu validieren und eine umfassende und zuverlässige Bewertung zu ermöglichen.
Insgesamt sind in dieser Arbeit neue responsive Nanogele als vielseitige und flexible Werkzeuge für die effiziente lokale Abgabe von Biomakromolekülen an die Haut- und Schleimhautoberflächen dargestellt. Weiterhin wird die Rolle der responsiven Modalitäten bei der Durchquerung von den robusten biologischen Barrieren neben der kontrollierten Freisetzung der therapeutischen Fracht demonstriert. Außerdem wurden kritische Probleme bei den bestehenden Testsystemen zur Voraussage von Medikamenten-Verabreichung über die Schleimhäute hervorgehoben und die aktuellen Herausforderungen erläutert, um den entsprechenden experimentellen Verfahren in greifbaren klinischen Erfolg umzusetzen
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Exploring the feasibility of in situ gene editing on skin for the treatment of genodermatoses
No full textGenodermatoses are genetic skin disorders with currently no curative treatment. The fast-paced
advancement of gene therapy tools offers a solution for the treatment and cure of
genodermatoses. Autosomal Recessive Congenital Ichthyosis (ARCI) is a genetic skin disorder
that greatly affects the life-quality of the patient. Here, we hypothesized that the gene editing tool
CRISPR-Cas9 can be delivered by lipid nanoparticles into primary human keratinocytes and skin
tissue, and genetically edit the epidermis cells. Initially, we screened different formulations of
LNPs for physical (size, PDI, zeta potential) and biological (cell viability, gene editing efficacy)
characteristics. The first trials suggested DOPE LNPs shows less cytotoxicity (>60%) and higher
gene editing efficacy for RNP (14%) and mRNA (15%) approaches. After selecting one
formulation in a 2D in vivo approach, we moved to 3D systems: reconstructed skin models and
ex vivo excised skin. Also, to improve the penetration of the LNPs into the epidermis, we used
400μm solid microneedles that can create micro-sized openings in the skin and facilitate the
permeation of particles. Skin models showed gene editing efficacy of 8-15% for both RNP- and
mRNA-loaded LNPs. Similarly, excised human skin indicates gene editing of 9% for RNPloaded
and 7% for mRNA-loaded LNPs. To further explore the capacity of CRISPR-loaded
LNPs, we tested LNP formulations varying in ionizable lipids. LNPs A-J formulated with
different ionizable lipids indicates a significant increase in gene editing efficacy, especially for
LNP E (37%) and LNP H (72%), but impaired cell viability (<50%). We also tested the addition
of saponins as endosomal escape enhancer, but there were no significant changes in gene editing
efficacy. Finally, we tested the use of modified LNPs by adding the cell penetrating peptide Tat.
The Tat-LNPs showed an increase in GFP expression when compared to DOPE LNPs, but a
lower cell viability. In conclusion, results suggest LNPs loaded with CRISPR-Cas9 components
can be delivered in primary human keratinocytes and skin tissue and induce in situ genome
editing.Pharmaceutical Sciences, Faculty ofGraduat
Identification of the Molecular Mechanism in Scar Regeneration by Studying the Cellular Crosstalk between Adipocytes and Connective Tissue
Full text linkAbnormal scarring and its accompanying cosmetic, functional and psychological burden is
a major challenge in modern medicine. Pathological scars such as hypertrophic scars or
keloids present cutaneous conditions characterized by excessive collagen deposition which
can be itchy and painful, causing serious functional and aesthetical disabilities. The crucial
role of myofibroblasts and transforming growth factor-beta (TGF-β) signaling in the
pathogenesis of fibrosis and, thus, scarring, is widely accepted. Nevertheless, effective
preventive or therapeutic strategies are still not available despite extensive research.
Autologous fat grafting is a novel approach leading to partly significant improvements of
scar tissue regarding functionality and appearance. Here, fat is harvested from body
deposits and re-injected into areas with scarred tissue. Since adipose tissue does not only
contain adipocytes but is a source for adipose-derived stem cells (ASCs) and even more
cell types, various origins for the observed scar regeneration are conceivable. Regenerative
effects from adipocytes or ASCs are discussed, however, the underlying mechanism is still
unknown. Aiming to unravel the regenerative potential of adipose tissue, paracrine effects
of ASCs and adipocytes on in vitro differentiated myofibroblasts and fibroblasts from
hypertrophic scars were investigated. Interestingly, following incubation with adipocyteconditioned medium, the expression of the myofibroblast marker α-smooth muscle actin
and the extracellular matrix components collagen 1 and 3 decreased significantly indicating
a myofibroblast reprogramming. Secretome analysis, ELISA, Western blot and high
throughput protein analysis indicate a pivotal role of BMP-4 secreted by adipocytes in the
cellular reprogramming. In addition, direct as well as indirect activation of peroxisome
proliferator-activated receptor (PPAR)γ signaling was shown after application of conditioned
medium from adipocytes. Remarkably, speculations about a reciprocal, antagonistic
relationship between PPARɣ and TGF-β do exist which might indicate anti-fibrotic effects
on the part of PPARɣ. Although a myofibroblast-to-adipocyte transition was hypothesised,
myofibroblasts trans-differentiation, however, was not observed.
Overall, adipocytes induce myofibroblast reprogramming via BMP-4 secretion and by direct
as well as indirect activation of PPARγ signaling. These findings highlight the regenerative
potential of adipocytes on scar tissue and may pave the way for novel therapeutic strategies
in the prevention or treatment of hypertrophic scars
Entwicklung organotypischer Hautäquivalente mit Merkmalen der atopischen Dermatitis für die Grundlagenforschung und die präklinische Bewertung von Arzneimitteln
No full textAtopic dermatitis (AD) is a chronic inflammatory skin disease and a prominent health burden that markedly impact patient quality of life, affecting 2-10% of the adult population and 10-30% of children worldwide. Current therapeutic options tackle disease symptoms, but leave the disease’s still poorly understood aetiology seemingly unaltered. Due to its relapsing nature and the associated risk of gaining further, potentially life-threatening, atopic disorders such as asthma and food-allergies, AD presents a notable unmet clinical need on the development of innovative therapeutic strategies. The use of human-based organotypic skin equivalents in basic research is constantly increasing. These, not only circumvent ethical concerns, they also overcome the difficulties of translating results from animal models to humans owing to differences in physiology and anatomy. Despite this however, skin equivalents are still not broadly used in preclinical drug development owing to certain physiological limitations and a lack of model standardisation. This thesis aimed to further develop a previously established skin equivalent in which filaggrin deficiencies, a major component of the known AD pathology, were induced.
Firstly, the filaggrin-deficient skin equivalent was used to investigate the therapeutic potential of peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) agonists. Supplementation with the PPARα agonist WY14643 led to an up-regulation of filaggrin, normalised free fatty acid distribution, and significantly improved skin barrier function, all of which indicate a probable positive impact upon filaggrin-associated skin diseases like AD.
Next, to study the influence of an inflammatory environment on skin cells and barrier homoeostasis, independent of additional factors, the filaggrin-deficient skin equivalent was supplemented with the AD-specific T helper (Th) type 2 cytokines interleukin (IL) 4 and IL 13, alone or in combination. The compensatory up-regulation of skin barrier and tight junction proteins seen following the induction of the filaggrin deficiency was diminished upon cytokine supplementation. This indicates that defects in the equivalent’s skin homoeostasis are not primarily linked to filaggrin deficiency but are, rather, secondarily induced by Th2 inflammation. As AD is a chronic inflammatory skin disease with a fundamental immune component, the contribution of immune cells like T cells is of high interest. Thus, the filaggrin-deficient skin equivalents were supplemented with activated CD4+ T cells applied underneath the dermal layer. This resulted in an inflammatory phenotype, and led to the discovery of an unknown link between thymic stromal lymphopoietin (TSLP), a pro inflammatory cytokine found at intrinsically high levels in the filaggrin-deficient skin equivalent, and the migration of CD4+ T cells in filaggrin-deficient skin. The immunological component instated by either supplementation of the AD-specific Th2 cytokines, or by the implementation of activated CD4+ T cells contributed to the approximation of the in vivo situation.
In addition, this thesis revealed several possible applications for human-based skin equivalents and how these can be improved by the implementation of additional cell types. Normal organotypic skin equivalents were used to test the wound healing capacity of different hydrogels modulating wound pH in an attempt to find a new approach for the treatment of chronic wounds characterised by shifted pH values. After application, wounded skin equivalents showed a marked recovery as measured by keratinocyte migration and wound closure. Current in vitro skin equivalents lack of functional vasculature, limiting their preclinical and basic research applications. To gain deeper insight into the crosstalk of keratinocytes and endothelial cells, a normal organotypic skin equivalent was complemented with endothelial cells, resulting in altered keratinocyte proliferation and differentiation, demonstrating the key roles cellular crosstalk plays during skin development.
In conclusion, organotypic skin disease equivalent mimicking crucial hallmarks of AD in vitro were developed, and which will enable precise basic research and preclinical drug evaluation for this still poorly understood disease. Moreover, this thesis contributed to the furthered progression of current organotypic skin equivalents towards meeting the requirements of a reliable preclinical test system applicable from cell biology to dermocosmetics, disease modelling, drug development, pathophysiological investigation and regenerative medicine.Die atopische Dermatitis (AD) ist eine chronisch-entzündliche Hauterkrankung und stellt eine erhebliche, gesundheitliche Belastung dar, die die Lebensqualität der Patienten massiv beeinträchtigt. Sie betrifft 2-10% der erwachsenen Bevölkerung und 10-30% der Kinder weltweit. Momentan verfügbare therapeutische Optionen richten sich gegen die Krankheitssymptome, lassen aber die noch immer wenig verstandene Krankheitsursache außen vor. Aufgrund der hohen Rezidivgefahr und des Risikos, im weiteren Verlauf der Krankheit zusätzliche, potenziell lebensbedrohliche atopische Erkrankungen wie Asthma oder schwerwiegende Nahrungsmittelallergien zu entwickeln, besteht ein großer klinischer Bedarf in der Entwicklung innovativer, therapeutischer Strategien. Die Nutzung humaner Hautmodelle in der Grundlagenforschung steigt kontinuierlich an. Sie bieten nicht nur eine Alternative gegenüber Tierversuchen, die ethisch umstritten sind, sondern haben auch den Vorteil, die durch Unterschiede in der Physiologie und Anatomie von Tier und Mensch bedingte schlechtere Übertragbarkeit von in Tierversuchen generierten Daten zu überwinden. Dennoch finden Hautmodelle aufgrund mangelnder Modellstandardisierung und einiger physiologischer Limitierungen nach wie vor keine breite Anwendung in der präklinischen Arzneimittelentwicklung. Ziel dieser Arbeit war es, ein bereits etabliertes Filaggrin-defizientes Hautmodell weiter zu entwickeln, das die wesentlichen Merkmale der AD-Pathogenese noch realistischer abbildet.
Zuerst wurde das Filaggrin-defiziente Hautmodell verwendet, um den positiven Effekt von Peroxisomen-Proliferator-aktivierten Rezeptor (PPAR)-Agonisten auf die Verbesserung der Hautbarriere zu untersuchen. Die Zugabe des PPARα-Agonisten WY14643 führte zu einer Hochregulierung von Filaggrin, einer normalisierten Verteilung der freien Fettsäuren und einer signifikant verbesserten Hautbarrierefunktion. Diese Ergebnisse deuten auf eine mögliche positive Auswirkung auf Filaggrin-assoziierte Hautkrankheiten wie der AD hin.
Um den Einfluss einer entzündlichen Umgebung auf die Hautzellen und die Barrierehomöostase unabhängig von weiteren Einflussfaktoren zu untersuchen, wurde das FLG-defiziente Hautmodell mit für den AD-spezifischen T-Helfer (Th)-Typ-2-Zytokinen Interleukin (IL) 4 und IL 13 versetzt, jeweils allein oder in Kombination. Die kompensatorische Hochregulation von Hautbarriere- und Tight Junction-Proteinen, die nach der Induktion des Filaggrinmangels beobachtet wurde, war nach Zytokinexposition vermindert. Dies deutet darauf hin, dass Defekte in der Hauthomöostase des Modells nicht in erster Linie mit dem Filaggrinmangel in Zusammenhang stehen, sondern sekundär durch eine Entzündungsreaktion ausgelöst werden. Da die AD eine chronisch-entzündliche Hauterkrankung mit einer grundlegenden immunologischen Komponente ist, ist der Einfluss von Immunzellen wie T-Zellen von großem Interesse. Daher wurden die Filaggrin-defizienten Hautmodelle im weiteren Verlauf mit aktivierten CD4+-T-Zellen versetzt, die unterhalb der dermalen Schicht eingebracht wurden. Dies führte zu einem entzündlichen Phänotyp innerhalb des Modells und zur Entdeckung einer unbekannten Verbindung zwischen Thymus stromal lymphopoietin (TSLP), einem proinflammatorischen Zytokin, welches in hohen Konzentrationen in dem Filaggrin-defizienten Hautmodell vorliegt, und der Migration von CD4+-T-Zellen in Filaggrin-defizienter Haut. Die immunologische Komponente, die entweder durch den Zusatz AD-spezifischer Th2-Zytokine oder durch die Implementierung aktivierter CD4+ T-Zellen eingebracht wurde, trug zur Annäherung der in vivo Situation in atopischer Haut bei.
Darüber hinaus wurden in dieser Arbeit verschiedene Anwendungsmöglichkeiten humaner Hautmodelle und deren Optimierung durch die Implementierung weiterer Zelltypen aufgezeigt. Humane Hautmodelle wurden verwendet, um die Wundheilungskapazität verschiedener pH-modulierender Hydrogele zu testen und um einen neuen Ansatz für die Behandlung chronischer Wunden zu entwickeln, welche durch veränderte pH-Werte gekennzeichnet sind. Nach der Applikation der jeweiligen Hydrogele zeigten die verwundeten Hautmodelle eine Verbesserung der Wundheilung, gemessen anhand des Wundverschlusses durch die Migration von Keratinozyten. Gegenwärtig verwendeten in vitro Hautmodellen fehlt ein funktionelles Gefäßsystem, was präklinische und grundlegende Forschungsanwendungen einschränkt. Um einen genaueren Einblick in die Zellkommunikation zwischen Keratinozyten und Endothelzellen zu erhalten, wurde ein humanes Hautmodell mit Endothelzellen versetzt, was zu einer veränderten Keratinozytenproliferation und -differenzierung führte. Dies demonstriert die Bedeutung von zellulärem Austausch für die Hautentwicklung.
Zusammenfassend wurde ein humanbasiertes Hautkrankheitsmodell entwickelt, das grundlegende Merkmale atopischer Haut in vitro nachahmt und somit zielgerichtete Grundlagenforschung und präklinische Arzneimittelentwicklung für diese noch wenig verstandene Krankheit ermöglichen wird. Darüber hinaus trug diese Arbeit zur Weiterentwicklung humaner Hautmodelle bei, um den Anforderungen an die Nutzung zuverlässiger präklinischer Testsysteme gerecht zu werden – für die Anwendung in der Zellbiologie und Pathophysiologie, der Modellierung von Krankheiten, über der Testung von Kosmetika, der Arzneimittelentwicklung und in der regenerativen Medizin
Neue biomedizinische Ansätze zur Untersuchung (patho-)physiologischer Bedingungen gesunder und entzündeter Haut in vitro
No full textAtopic dermatitis (AD) is the most common skin disease worldwide and the prevalence continues to increase in industrialized countries. However, due to the complex interplay between barrier disruption and the skin immune system, the pathogenesis of AD is still not fully understood. The use of human-based in vitro skin equivalents grown from patient-derived cells is a promising alternative approach to investigate pathogenic parameters in AD. However, skin biopsies, that are necessary for the collection of patient cells, are often associated with wound healing complications and scar formations. In this thesis, it was shown for the first time that both keratinocytes and fibroblasts can also be isolated from plucked scalp hair follicles and successfully used for generation of skin equivalents. Moreover, the established method laid the foundation for the generation of skin disease models with the help of patient cells. Over the past years, the impact of fibroblasts for disease induction and/or maintenance has been increasingly recognized. However, little is known about their actual contribution in AD. Hence, the impact of AD patient-derived fibroblasts, isolated from plucked hair follicles, on the tissue homeostasis of human-based skin equivalents was investigated. Interestingly, a subset of AD patient-derived fibroblasts induced characteristic features of AD in the skin equivalents such as hyperproliferation, altered expression of tight junction and skin barrier proteins. Notably, the expression of AD-related proteins such as thymic stromal lymphopoietin (TSLP) and protease-activated receptor 2 (PAR2) were significantly increased. A reduced expression of differentiation-associated cytokine leukemia inhibitor factor (LIF) seems to be linked to these effects. Exposure of hyperproliferative skin equivalents to CD4+ T cells resulted in T cell migration into the dermal equivalent, which was not observed in the equivalents grown from normal fibroblasts. Surprisingly, the addition of T cells to the disease equivalents improved the stratum corneum lipid profiles and distinctly attenuated PAR2 expression, probably as a result of increased LIF signaling due to the T cells. In addition to their effects in the skin equivalents, their angiogenic impact was investigated by co-cultivation with dermal microvascular endothelial cells. Interestingly, AD fibroblasts facilitated to the formation of an increased number of endothelial tubes and thus appear to be involved in angiogenesis.
Overall, the results of this doctoral thesis demonstrate the pathogenic effects of AD fibroblasts. The major donor differences among the patients support the opinion that AD is a highly heterogeneous disease, which increases the difficulty of unraveling the pathomechanism of AD. In order to a better understanding of this multifactorial disease, the development of a mast cell-competent skin equivalent was introduced. This model might be a promising biomedical approach for the investigation of complex cell-cell interactions in AD lesions, which is currently poorly understood
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Dermale Wirkstoffabgabe durch Nanoträger auf Polyglycerinbasis
No full textNon-biodegradability, low loading capacity, non-specific interaction with drugs, and low yield synthetic protocols are four main challenges that prevent many biomedical applications of polyglycerol derivatives. In this study we tried to address and solve these problems. We also showed the advantages of the synthesized materials for the biomedical applications exemplified by dermal delivery of known therapeutic agents.
In the first project, new nanogel-peptide conjugates for the specific interactions with m-THPC, as targeted therapeutic agent, were synthesized and their ability to delivery this drug through the skin was evaluated. Loading capacity of nanogels was improved 16-fold compared to the nanogels without peptide segments. Furthermore, nanogel-peptide conjugates specifically loaded the targeted drug in a complex media. Our results show that peptide segments, which were synthesized and selected because they combined well, are very effective bioligands for specific interaction with the target molecules. Conjugation of these bioligands to the surface of nanocarriers, in this case, polyglycerol nanogels improved their specific biointeraction, loading capacity, and bioavailability.
In the second project, short poly(lactide) segments were incorporated in the backbone of polyglycerol to obtain biodegradable polyglycerol derivatives. Due to the one-pot and straightforward synthesis, poly(lactide-co-glycerol) was synthesized on a gram scale. This copolymer was freely soluble in water and showed loading capacity as high as 14.5% w/w for tacrolimus (TAC), because of the hydrophobic poly(lactide) segments in its backbone.
Skin penetration tests on human skin showed that the synthesized copolymer was able to efficiently deposit Nile red and TAC into the stratum corneum and viable epidermis. The cutaneous biodistribution profile of cargo of poly(lactide-co-glycerol), TAC, showed that 80%, 16%, and 4% of the cutaneous drug level was deposited in the stratum corneum, viable epidermis, and upper dermis, respectively. The delivered TAC efficiently suppressed the IL-2 and TSLP expressions in human skin models. One of the main goals of this project was to synthesize a biodegradable polyglycerol derivative. In order to investigate the biodegradability of the synthesized copolymer, it was incubated with skin lysates. It was found that poly(lactide-co-glycerol) efficiently is broken down to small segments. Results of this project showed that a short-chain polylactides could be incorporated in the backbone of polyglycerol; the reaction can be performed in one step and on gram scale. In spite of considerable molar ratio of poly(lactide) segments, poly(lactide-co-glycerol) are highly soluble in aqueous solutions. This is due to the fact that poly(lactide) segments are incorporated in the backbone of copolymer and they are surrounded by polyglycerol segments. Increasing the hydrophobicity of polyglycerol backbone resulted in the highest known loading capacity for a very hydrophobic drug, i.e., TAC. Biodegradability of poly(lactide-co-glycerol) in a skin-mimicked media decreased the risk of toxicity, which is very promising for future dermal delivery.
In the third project, succinic acid was copolymerized with glycidol using two different catalysts, Sn(Oct)2 and novozyme. It was found that both catalysts were able to copolymerize these monomers. Interestingly, copolymerization in the presence of novozyme resulted in nanogels, because this enzyme showed a dual role including activation of monomers and catalyzing esterification of the produced copolymers. Succinic anhydride is a cheap and commercially available compound and the one-pot copolymerization with glycidol resulted in nanogels in gram quantities. To the best of our knowledge, this is the first protocol for a gram-scale synthesis of polyglycerol nanogels. The synthesized nanogels showed a high ability for loading of hydrophobic drugs such as m-THPC and TAC. Different experiments showed that poly(glycerol-succinic anhydride) nanogels were able to efficiently improve the skin penetration of their cargos. Straightforward and gram-scale synthesis, high loading capacity, skin penetration, and biodegradability of poly(glycerol-succinic anhydride) nanogels make them fascinating candidates for dermal delivery application with a minimal health risk.
In the fourth project, similar to the second project, glycidol was copolymerized ε-caprolactone and biodegradable poly(glycerol-caprolactone) with the ability of loading and transport TAC through the skin. Poly(glycerol-caprolactone) was degraded by skin lysate efficiently, but it showed much lower loading capacities for TAC in comparison with poly(lactide-co-glycerol). The lower loading capacity for poly(glycerol-caprolactone) could be due to the flexibility of poly(caprolactone) segments. High biocompatibility, water solubility, biodegradability, and the ability to improve the skin penetration of its cargo show that this copolymer is a promising candidate for topical drug delivery applications.
In the final project, supramolecular nanogels compromised of pillar[5]arene and guest alkyl chains were produced and used for the dermal delivery of dexamethasone. Owing to their supramolecular nature, such nanogels were able to efficiently diffuse into skin and improve the skin penetration of their cargo. This project showed that supramolecular systems are very efficient alternatives for the dermal delivery of therapeutic agents. They could be more promising when both host and guest segments are natural compounds.
In summary, incorporation of ester linkages in the backbone of polyglycerols by gram scale one-pot copolymerization of glycidol with the known cyclic monomers resulted in biodegradable polyglycerols or nanogels with a high ability to load and transfer therapeutic agents into the skin.Drei Hauptprobleme behindern, die viele biomedizinische Anwendungen von Polyglycerin-Derivaten. Die nicht vorhandene biologische Abbaubarkeit, die geringe Beladungskapazität und die schwache Wechselwirkungen mit hydrophobenWirkstoffen. In dieser Arbeit wurden, die oben genannten Probleme adressiert. Die Vorteile der synthetisierten Materialien für die biomedizinischen Anwendungen wurden am Beispiel der dermalen Wirkstoffabgabe bekannter Therapeutika untersucht.
Im ersten Projekt wurden neue Nanogel-Peptidkonjugate für die spezifischen Wechselwirkungen mit Temoporfin (m-THPC) als zielgerichtetem Therapeutikum synthetisiert und ihre Fähigkeit, dieses Medikament über die Haut zu verabreichen, untersucht. Die Beladungs-Kapazität von Nanogelen mit Peptidsegmenten wurde im Vergleich zu den Nanogelen ohne Peptidsegmente um den Faktor 16 verbessert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Nanogel-Peptidkonjugate dieses gezielte Medikament in einem komplexen Medium spezifisch einschliessen. Die ausgewählten Peptidsegmente weisen sehr effektive Bioliganden für die spezifischen Wechselwirkungen mit den verwendeten Wirkstoffen auf. Die Konjugation dieser Bioliganden auf Nanotransporter, in diesem Fall Polyglycerin-Nanogelen, verbesserte deren spezifische Biointeraktionen, Beladungskapazität, sowie deren Bioverfügbarkeit.
Im zweiten Projekt wurden kurze Poly(lactid)-Segmente in das Rückgrat von Polyglycerin integriert, um biologisch abbaubare Polyglycerin-Derivate zu erhalten. In der Eintopfreaktion wurde Poly(lactid-co-glycerin) im Gramm-Maßstab synthetisiert. Dieses Copolymer war wasserlöslich und zeigte aufgrund der hydrophoben Poly(lactid)-Segmente eine erhöhte Ladungskapazität von Tacrolimus (TAC) von bis zu 14,5 Gewichtsprozent.
Hautpenetrationstests an der menschlichen Haut zeigten, dass das synthetisierte Copolymer in der Lage ist, Nil Rot und TAC in das Stratum corneum und in die Epidermis zu transportieren. Das kutane Biodistributionsprofil der Poly(lactide-co-glycerol) beladen mit TAC zeigte, dass 80%, des kutanen Medikamentenspiegels im Stratum corneum, 16% der Epidermis und 4% der oberen Dermis deponiert wurden. Das zum Wirkort transportierte TAC unterdrückte effizient die IL-2 und TSLP-Expressionen in menschlichen Hautmodellen. Eines der Hauptziele dieses Projekts war die Synthese von biologisch abbaubaren Polyglycerin-Derivaten. Um die biologische Abbaubarkeit des synthetisierten Copolymers zu untersuchen, wurde es mit Hautlysaten inkubiert. Hier wurde festgestellt, dass sich Poly(lactide-co-glycerol) effizient zu kleinen Segmenten abbaut. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigten, dass kurzkettiges Polylactide in das Polyglycerin Rückgrat eingebaut werden können und die Eintopfreaktion des Copolymers im Gramm-Maßstab möglich ist. Trotz des beträchtlichen Molverhältnisses von Poly(lactid)-Segmenten sind Poly(lactide-co-glycerine) gut wasserlöslich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Poly(lactid)-Segmente in das Rückgrat des Copolymers integriert und von Polyglycerin-Segmenten umgeben sind. Die Erhöhung der Hydrophobie des Polyglycerin-Grundgerüsts führte zur erhöhten Beladungskapazität für sehr hydrophobe Wirkstoffe, wie TAC.
Die biologische Abbaubarkeit von Poly(lactide-co-glycerin) in den Hautmedien vermindert das Toxizität-Risiko des Transporters und ist vielversprechend für zukünftige therapeutische Anwendungen in der Haut.
Im dritten Projekt wurde Bernsteinsäure mit Glycidol unter Verwendung von Zinn(II)-2-ethylhexanoat und Novozym als Katalysator copolymerisiert. Beide Katalysatoren sind in der Lage, diese Monomere zu copolymerisieren. Interessanterweise führte die Copolymerisation in Gegenwart von Novozym zu Nanogelen, da dieses Enzym zum einen die Monomeren aktiviert und die Veresterung der hergestellten Copolymere katalysiert. Bernsteinsäureanhydrid ist eine preiswerte und kommerziell erhältliche Substanz und führt in einer Eintopfreaktion im Gramm-Maßstab zur Copolymerisation mit Glycidol zu Nanogelen. Nach unserem Kenntnisstand ist dies das erste Reaktions-Protokoll für die Gramm-Synthese von Polyglycerin-Nanogelen. Die synthetisierten Nanogele weisen eine hohe Beladungs-Kapazität für hydrophoben Wirkstoffe wie m-THPC und TAC auf. Verschiedene Experimente zeigten, dass Poly(glycerin-bernsteinsäureanhydrid)-Nanogele in der Lage sind, die Hautpenetration der beladenen Wirkstoffe zu verbessern. Die einfache Synthese im Gramm-Maßstab, eine hohe Beladungskapazität, eine hohe Hautpenetration und biologische Abbaubarkeit der Poly(glycerin-bernsteinsäureanhydrid)-Nanogelen machen diese zu erfolgsversprechenden Transportern für die dermale Applikation.
Im vierten Projekt wurde, ähnlich wie im zweiten Projekt, Glycidol mit ε-Caprolacton zu einem biologisch abbaubares Poly(glycerin-caprolacton) copolymersiert. Der resultierende Nanotransporter hat die Fähigkeit, TAC aufzunehmen und durch die Haut zu transportieren. Poly(glycerin-caprolacton) wurde im Hautlysat effizient abgebaut, zeigte aber im Vergleich zu Poly(lactide-co-glycerin) eine wesentlich geringere Beladungseffizienz mit TAC. Dies könnte auf die Flexibilität von den Poly(caprolacton)-Segmenten zurückzuführen sein. Hohe Biokompatibilität, Wasserlöslichkeit, biologische Abbaubarkeit und die Fähigkeit, die Hautpenetration des zu transportierenden Wirkstoffes zu verbessern, zeigen, dass dieses Copolymer ein vielversprechender Kandidat für die topische Anwendung ist.
In fünften Projekt wurden supramolekulare Nanogele bestehend aus Pillar[5]arenen und Gast-Alkylketten hergestellt und für den dermale Transport von Dexamethason verwendet. Aufgrund ihrer supramolekularen Natur konnten die Nanogele effizient in die Haut diffundieren und die Hautpenetration des geladenen Wirkstoffes verbessern. Dieses Projekt zeigte, dass supramolekulare Systeme sehr effiziente Alternativen für den dermale Transport von therapeutischen Wirkstoffen darstellen. Diese könnten durch Verwendung von natürlichen vorkommenden Wirt- und Gast-Segmenten noch vielversprechender für die therapeutische Anwendung sein.
Zusammengefasst führt der Einbau von Esterbindungen in das Polymerrückgrat durch eine Eintopfreaktion von Glycidol mit den oben genannten cyclischen Monomeren zu biologisch abbaubaren Polyglycerinen oder Nanogelen im Gramm Maßstab. Die hergestellten Nanotransporter weisen eine hohe Beladungskapazität für hydrophobe, therapeutische Wirkstoffe auf und können diese effizient in die Haut transportieren
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
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