Nanopartikel Drug Delivery Systeme - Hessen
Werbung
Nanopartikuläre Arzneiformen von der Idee zur klinischen Anwendung 2. Nanotechnologieforum Hessen 16.11.2005 Congress Park Hanau PD Dr. Klaus Langer Institut für Pharmazeutische Technologie Johann Wolfgang Goethe-Universität 60439 Frankfurt am Main Germany Langer 1105 Das Problem der Arzneistofftherapie … 2 Arzneistoffe zeigen eine typische Körperverteilung, die durch die physiko-chemischen Eigenschaften der Substanz bedingt ist nur ein Teil des applizierten Arzneistoffs erreicht letztlich den gewünschten Zielort im Körper verbleibender Teil verantwortlich für unerwünschte Nebenwirkungen oder toxische Effekte Die Idee … Paul Ehrlich prägte den Begriff der Zauberkugeln: Langer 1105 „(Der Stoff) würde in diesem Sinne genau den Immunprodukten des Organismus entsprechen, die ihrerseits nach Art von Zauberkugeln ihren Feind, die Parasiten, isoliert treffen. (...) Die Tumorzellen sind mithin, im Gegensatz zu dem Parasiten, nichts dem Körper Fremdartiges, sondern es handelt sich gewissermaßen um feindliche Brüder, und es ist deshalb a priori viel schwerer, spezifische Heilstoffe aufzufinden, die nur kranke Zellen treffen, ohne die gesunden [Ehrlich, 1913] zu schädigen. (...)“ 3 Paul Ehrlich 1854 - 1915 Langer 1105 Anforderungen an eine Arzneiform 4 Transport eines Arzneistoffs unter kontrollierten Bedingungen gezielt an seinen Wirkort im Körper „Drug Targeting“ Freisetzung eines Arzneistoffs nach Erreichen seines Wirkortes unter kontrollierten Bedingungen „Controlled Release“ Erhöhung der Bioverfügbarkeit eines Arzneistoffs Schutz des Arzneistoffs vor Umwelteinflüssen wie Licht, Luft, Feuchtigkeit Schutz des Arzneistoffs vor Instabilität in physiologischen Medien wie bspw. enzymatischen Abbau, Säureinstabilität Die Arzneiform „Nanopartikel” … feste kolloidale Arzneistoffträger Größenbereich: 10 - 1000 nm matrixartige Struktur bestehen aus makromolekularem Material Herstellung abhängig von Ausgangsmaterial z Polymerisation z Dispergieren vorgeformter Polymere HSA Nanopartikel TEM Langer 1105 Maßstab 5 200 nm Quelle: Vogel et al., Progr. Colloid Polym. Sci. 119 (2002) 31-36 Ausgangsmaterialien für Nanopartikel Herstellung durch Polymerisation z Polyacrylamid z Polyalkylmethacrylate [Birrenbach und Speiser, 1976] CH3 [Kreuter und Speiser, 1976; Berg 1979] CH2 C n O z Polyalkylcyanoacrylate [Couvreur et al., 1982] z Polyglutaraldehyd R CN CH2 O C n [McLeod et al., 1988] O O R Dispergieren vorgeformter Polymere z natürliche Makromoleküle Serumalbumine, Na-Alginat, Gelatine, Chitosan Langer 1105 [Marty et al., 1978; Widder et al., 1979] z synthetische Polymere PLA, PLGA, Derivate der Polyacrylsäure [Gurny et al., 1981; Fessi et al., 1986] 6 Schematischer Aufbau eines Nanopartikels … „lang zirkulierende“ Struktur „lang zirkulierende“ und „zielgerichtete“ Struktur Wirkstoff Zellspezifische Liganden Langer 1105 Polymere Partikelmatrix 7 „konventionelle“ Struktur „zielgerichtete“ Struktur Historische Entwicklung 1972 Albumin-Nanopartikel unter Anwendung von Emulsionsverfahren / [Scheffel et al., 1972] Hitzedenaturierung 1976 Polyacrylamid-Nanopartikel als Adjuvant [Birrenbach und Speiser, 1976] Poly(methylmethacrylat)-NP als Adjuvant [Kreuter und Speiser, 1976] 1979 Poly(alkylcyanoacrylat)-NP als Arzneistoffträger [Couvreur et al., 1979] Peter Paul Speiser 1981 Polymilchsäure-NP 1988 Albumin-Nanopartikel mit zellspezifischem Antikörper [Gurny et al., 1981] [Akasaka et al., 1988] Langer 1105 2001 Albumin-Nanopartikel zur Tumortherapie in klinischen Studien [Damascelli et al., 2001] 8 2005 Albumin-Nanopartikel als zugelassenes Arzneimittel Langer 1105 Herausforderungen an nanopartikuläre Systeme … 9 1. Organ- / tumorspezifisches „Targeting“ eines Arzneistoffs 2. Zellspezifisches „Targeting“ eines Arzneistoffs 3. Überwindung biologischer Barrieren 4. Lösungsvermittlung schwerlöslicher Arzneistoffe 5. Veränderung des Eliminationsverhaltens eines Arzneistoffs Langer 1105 Herausforderungen an nanopartikuläre Systeme … 10 1. Organ- / tumorspezifisches „Targeting“ eines Arzneistoffs 2. Zellspezifisches „Targeting“ eines Arzneistoffs 3. Überwindung biologischer Barrieren 4. Lösungsvermittlung schwerlöslicher Arzneistoffe 5. Veränderung des Eliminationsverhaltens eines Arzneistoffs Langer 1105 Organ / Tumorspezifisches „Targeting“ eines Arzneistoffs 11 Organ- / Tumorspezifisches Targeting eines Arzneistoffs EPR (= enhanced permeability and retention)-Effekt führt zu einer passiven [Maeda et al., 2000] tumoralen Anreicherung der Nanopartikel permeables Endothel im angiogenen Gefäß Zellabstand 100 - 600 nm Langer 1105 Tumorgewebe intaktes Gefäßendothel i.v. 12 gesundes Gewebe Organ- / Tumorspezifisches Targeting eines Arzneistoffs Körperverteilung proteinbasierter Nanopartikel im Tumormodell an der Maus [Kaul and Amiji, J. Drug Targeting 12 (2004) 585-591] Langer 1105 13 Einfluss der Oberflächenstruktur eines Partikelsystems auf die resultierende Organ- / tumorspezifische Anreicherung „konventionell“ „lang zirkulierend“ Organ- / Tumorspezifisches Targeting eines Arzneistoffs Bestimmung der Nanopartikel-Menge in verschiedenen Organen über die Zeit nach Injektion Blutplasma Tumor 100 5 NP "lang zirkulierend" NP "konventionell" NP "lang zirkulierend" NP "konventionell" Langer 1105 4 Dosis gefunden [%] Dosis gefunden [%] 80 60 40 3 2 20 1 0 0 0 2 4 6 8 10 12 0 Zeit [h] 14 Daten aus: Kaul and Amiji, J. Drug Targeting 12 (2004) 585-591 2 4 6 Zeit [h] 8 10 12 Langer 1105 Zellspezifisches „Targeting“ eines Arzneistoffs 15 Zellspezifisches Targeting eines Arzneistoffs Idee eines zellspezifischen Partikelsystems … „lang zirkulierende“ und „zielgerichtete“ Struktur präparative Umsetzung eines zellspezifischen Partikelsystems … NH2 HOOC N H Langer 1105 O O n N S O H2N COOH 16 O O Zellspezifisches Targeting eines Arzneistoffs Bedingungen eines Zellkulturexperiments z verschiedene humane Brustkrebs-Zelllinien Zelllinie HER2 Expression* [%] MCF-7 100 SK-Br-3 366 BT 474 311 Langer 1105 * HER2-Expression mittels 17 Western Blot detektiert z Antikörper-modifizierte Nanopartikel vs. unmodifizierte Nanopartikel Antikörper: Trastuzumab (Herceptin®) z Inkubation 3 h, 37°C z FACS Analyse: FITC-markierte NP z CLSM Analyse: FITC-markierte NP; Zellmembranfärbung: Alexa®594-Concanavalin A Zellspezifisches Targeting eines Arzneistoffs Spezifische Anreicherung der Nanopartikel in Tumor-Zielzellen z z z CLSM-Experiment in SK-Br3-Zellen Inkubation mit Antikörper-modifizierten Nanopartikeln 100 µg/ml; 3h / 37°C Vorinkubation mit freiem Antikörper Trastuzumab (Herceptin®) Langer 1105 SK-Br3 Kontrollzellen 18 Nanopartikel mit Trastuzumab; ohne Vorinkubation Nanopartikel mit Trastuzumab; mit Vorinkubation Zellspezifisches Targeting eines Arzneistoffs Spezifische Anreicherung eines Wirkstoffs in Tumor-Zielzellen z z z CLSM-Experiment in SK-Br3-Zellen Inkubation mit Antikörper-modifizierten Nanopartikeln 1 µM Cy5-PTO; 6 h / 37°C fluoreszenzmarkierter (blau) Arzneistoff in Partikelmatrix Langer 1105 Nanopartikel ohne Arzneistoff; Trastuzumab-modifiziert 19 Nanopartikel mit Arzneistoff; Trastuzumab-modifiziert Nanopartikel mit Arzneistoff; ohne Trastuzumab Langer 1105 Überwindung biologischer Barrieren 20 Überwindung biologischer Barrieren Blut-Hirn-Schranke (BBB) als biologische Barriere z viele Arzneistoffe können diese Barriere nicht überwinden: Loperamid, Verapamil, Digoxin, Paclitaxel, Saquinavir, … Aufbau der Blut-Hirn-Schranke MultiDrugA. Transporter (MDR) B. Rezeptor-vermittelte Endocytose Blut Langer 1105 Endothelzellen Nervengewebe 21 GehirnKapillare Überwindung biologischer Barrieren Blut-Hirn-Schranke (BBB) als biologische Barriere z Arzneistoff: Loperamid (Imodium®) ist ein Opioid, das die BBB nicht überwindet z Tierversuch: „Tail-flick”-Apparatur zur Bestimmung der Schmerzempfindung z Partikelsystem: NH2 Langer 1105 HOOC N H O O n COOH ApoE N S O H2N 22 O O Überwindung biologischer Barrieren Ergebnis eines Tierexperiments zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke mittels Nanopartikeln 120 Analgetischer Effekt [%] 100 80 60 40 20 ApoE-NP mit Loperamid NP mit Loperamid Loperamid ApoE-NP Langer 1105 0 -20 0 20 40 60 80 Zeit [min] 23 100 120 140 Langer 1105 Lösungsvermittlung schwerlöslicher Arzneistoffe 24 Lösungsvermittlung schwerlöslicher Arzneistoffe O Der Problemarzneistoff … O O Paclitaxel O C z antitumoraler Arzneistoff OH O N H C H C H OH C O HO Langer 1105 z Indikationen: metastasierendes Ovarial- und Mammakarzinom z Dosierung: 175 mg/m2 alle 3 Wochen z Löslichkeit: Dosis: O O Paclitaxel O ~ 0,5 mg/l (= unlöslich) ~ 300 mg zur Auflösung der Arzneistoffeinzeldosis sind 600 l Wasser erforderlich ! 25 O Taxus media O Lösungsvermittlung schwerlöslicher Arzneistoffe O Das konventionelle Handelspräparat … O O Taxol® Bristol-Myers Squibb München O C OH O N H C H C H OH C O HO Langer 1105 z 26 wässrige / alkoholische Lösung des Paclitaxels (~ 50% EtOH) O O O Paclitaxel z Gehalt 6 mg/ml z Lösungsvermittlung durch Tensid Cremophor EL z Dosierung: 175 mg/m2 i.v. über 3 h z Nebenwirkungen: Überempfindlichkeitsreaktionen z Prämedikation der Patienten mit Corticosteroiden oder Antihistaminika zwingend erforderlich O O Lösungsvermittlung schwerlöslicher Arzneistoffe Die nanopartikuläre Innovation … Abraxane® (ABI-007) ABRAXIS Oncology Division of American Pharmaceutical Partners, Inc. Schaumburg, IL z z wässrige Suspension von Paclitaxel-haltigen Albumin-NP (130 nm) FDA-Zulassung Januar 2005 O O O O C Langer 1105 z 27 Lyophilisat; nach Rekonstitution: Gehalt 5 mg/ml Paclitaxel 18 mg/ml HSA-Nanopartikel z Lösungsmittelfreie Zubereitung ! z Dosierung: 260 mg/m2 i.v. über 30 min OH O N H C H C H OH C O HO Paclitaxel O O O O O Lösungsvermittlung schwerlöslicher Arzneistoffe Ergebnisse klinischer Studien … Randomisierte Studie an 460 Patienten mit metastasierendem Brustkrebs 79% mit visceralen Metastasen; 76% mit > 3 Metastasen Parameter Abraxane® 260 mg/m2 Taxol® 175 mg/m2 50 / 233 (21,5%) 25 / 227 (11,1%) Ansprechrate Alle Studienpatienten p-Wert Patienten mit erfolgloser „First line“-Therapie 0,003 20 / 129 (15,5%) 12 / 143 (8,4%) Nicht erforderlich Corticoide / Antihistaminika Clearance gesamt [l/h/m2] 15 10,5 Verteilungsvolumen [l/m2] 632 413 Prämedikation Langer 1105 Pharmakokinetik 28 Langer 1105 Zusammenfassung Nanopartikuläre Arzneiformen als „Zauberkugeln“ im Sinne von Paul Ehrlich Was können Sie leisten ? z Spezifische Anreicherung in Tumoren / Organen z Spezifisches Erreichen von Zielzellen z Überwindung biologischer Barrieren z Lösungsvermittlung z ... Erster erfolgreicher klinischer Einsatz nach langjähriger Entwicklungsphase Nanopartikel, eine neue innovative Arzneiform in der Therapie 29 Danksagung Institut für Pharmazeutische Technologie, Frankfurt a.M. Prof. Jörg Kreuter Marion Anhorn Sonja Arnold Dr. Sabine Balthasar Sebastian Dreis Melisande Holzer Kerstin Michaelis Isabel Steinhauser Dr. Heidrun Wartlick Institut für Biophysik, Frankfurt a.M. Prof. Klaus Strebhardt Sven Kappel Prof. Dieter Schubert Dr. Vitali Vogel Langer 1105 Chemotherapeutisches Forschungsinstitut Georg-SpeyerHaus, Frankfurt a.M. PD Dr. Hagen von Briesen Dr. Norbert Dinauer Anke Schwedat 30 Uniklinikum Frankfurt, Frauenklinik Molekularbiologisches Labor Uniklinikum Frankfurt, Institut für Medizinische Virologie Prof. Jindrich Cinatl Dr. Martin Michaelis Projektförderung durch … Adolf-Messer-Stiftung Hermann Willkomm-Stiftung Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
