CELL CULTURE AND IN VIVO STUDY OF MICROVESICLES FOR DRUG DELIVERY ACROSS BARRIERS

Efficient drug delivery across biological barriers, like the intestinal and blood-brain barriers is a central problem in pharmaceutical treatment of disorders [1]. Most pharmaceutical drug candidates, hydrophilic molecules, biopharmaceuticals, and efflux transporter ligands have a low permeability across barriers. To solve this unmet therapeutical need colloidal drug delivery systems utilizing physiological transporters of the barriers hold a great promise. The aim of our study was to test nanosized, biocompatible and biodegradable vesicles which can encorporate both hydrophilic and hydrophobic drug cargos and present on their surfaces ligands for solute carrier (SLC) proteins. Glucose analogues and amino acids were used to achieve increased specificity and efficacy for drug delivery across barriers. Bilayered microvesicles of non-ionic surfactants, niosomes are able to encapsulate solutes and serve as potential drug carriers. Niosomes with an average hydrodynamical size of 200 nm were prepared containing different ligands and their combinbations, and Evans blue-albumin as a model molecule. Human Caco-2 intestinal epithelial and D3 brain endothelial cells, a model of the blood-brain barrier [2], were used for toxicity measurements by colorimetric methods and real-time cell microelectric sensing, permeability experiments and morphological examinations. The presence of glucose and amino acid ligands on microvesicles increased the uptake of Evans blue-albumin to the cells and its penetration across the cell layers. A kinetic in vivo study in nude mice by eXplore Optix, a near infrared fluorescence time-domain optical imaging demonstrated the elevated accumulation of Evans blue-albumin in the brain after the intravenous injection of glucose analogue and amino acid labeled niosomes. These results indicate that microvesicles labeled with SLC transporter ligands can be used for targeting hydrophilic biomolecules across barriers

Anesthesia triggers drug delivery to experimental glioma in mice by hijacking caveolar transport

Background Pharmaceutical intervention in the CNS is hampered by the shielding function of the blood–brain barrier (BBB). To induce clinical anesthesia, general anesthetics such as isoflurane readily penetrate the BBB. Here, we investigated whether isoflurane can be utilized for therapeutic drug delivery. Methods Barrier function in primary endothelial cells was evaluated by transepithelial/transendothelial electrical resistance, and nanoscale STED and SRRF microscopy. In mice, BBB permeability was quantified by extravasation of several fluorescent tracers. Mouse models including the GL261 glioma model were evaluated by MRI, immunohistochemistry, electron microscopy, western blot, and expression analysis. Results Isoflurane enhances BBB permeability in a time- and concentration-dependent manner. We demonstrate that, mechanistically, isoflurane disturbs the organization of membrane lipid nanodomains and triggers caveolar transport in brain endothelial cells. BBB tightness re-establishes directly after termination of anesthesia, providing a defined window for drug delivery. In a therapeutic glioblastoma trial in mice, simultaneous exposure to isoflurane and cytotoxic agent improves efficacy of chemotherapy. Conclusions Combination therapy, involving isoflurane-mediated BBB permeation with drug administration has far-reaching the

Anti-TGF-beta-antibody and opening of the blood-brain-barrier - Evaluation of new options for the treatment of high malignant gliomas in an animal model

Patienten mit malignen Hirntumoren haben mit den zur Verfügung stehenden Standardtherapien eine schlechte Prognose. Auch Hochdosis-Chemotherapie und neue experimentelle Medikamente konnten den Therapieerfolg bei Patienten mit hochmalignen Gliomen bislang nicht verbessern. Der Grund hierfür liegt in Resistenzmechanismen der Gliomzellen und in der Ausbildung der Blut-Hirn-Schranke in den Blutgefäßen des Gehirns. TGF-beta spielt in der Progression des Glioblastoms eine entscheidende Rolle bei der Induktion von Wachstum, Angiogenese, Invasion und Immunsuppression. Daher sollte in der vorliegenden Dissertation der Effekt eines TGF-beta neutralisierenden Antikörpers auf experimentelle Gliome in Mäusen evaluiert werden. Des Weiteren wurde die Penetration des Antikörpers ins Gehirn von Ratten und Mäusen mit und ohne Öffnung der Blut-Hirn-Schranke in vivo untersucht.Für subkutane Glioblastome in Mäusen zeigte sich eine spezifische Anreicherung intravenös injizierter Fluoreszenzfarbstoff-gekoppelter 1D11 Antikörper. Die intravenöse 1D11-Behandlung subkutaner Gliome (humane U87MG-Zellen oder murine GL261-Zellen) in immundefizienten nu/nu-Mäusen führte zu einer Tumorprogression im Vergleich zu einer mit einem Isotyp-Kontrollantikörper (13C4) behandelten und einer unbehandelten Kontrollgruppe. Im Gegensatz dazu führt die 1D11-Behandlung von subkutanen GL261-Tumoren im syngenen Modell mit immunkompetenten Black/6-Mäusen zu einer Wachstumsverringerung bei 25% der behandelten, und zu kompletter Remission bei 75% der behandelten Mäuse. Immunhistochemische Untersuchungen ergaben, dass die Anzahl apoptotischer Zellen in GL261-Tumoren 1D11-behandelter Black/6-Mäuse im Vergleich zu Tumoren der Kontrollgruppen erhöht ist. In der nu/nu-Maus ist dieser Effekt nicht nachweisbar. Dies lässt auf eine Korrelation zwischen dem Immunsystem und der in Abhängigkeit von der Konzentration des aktiven TGF-beta ausgelösten Apoptose schließen. Auch in zerebralen GL261-Tumoren in Black/6-Mäusen fand sich eine Anreicherung von Fluoreszenzfarbstoff-gekoppeltem 1D11. Dies konnte durch optical imaging, sowie in der Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden. In zerebralen GL261-Tumoren war im Gegensatz zu den subkutanen Tumoren unter 1D11-Behandlung keine Größenreduktion detektierbar. Jedoch konnte an HE-gefärbten Gehirnschnitten festgestellt werden, daß die TGF-beta-vermittelten invasiven Eigenschaften bei den orthotop gelegenen Gliomen durch 1D11 gehemmt werden. Vermutlich sind die 1D11-Konzentrationen in den zerebralen Tumoren infolge der in Gehirnkapillaren ausgebildeten Blut-Hirn-Schranke zu gering, um die bei subkutanen Tumoren beobachtete Tumorremission auszulösen. Im Vorfeld konnte unsere Gruppe demonstrieren, dass eine intraarterielle Bolusinjektion von 2-O-Hexyldiglycerin die Blut-Hirn-Schranke für die Zeit einer Kurzinfusion ohne größere Nebenwirkungen öffnet. Damit kann eine erhöhte Konzentration von gleichzeitig verabreichten Medikamenten im Hirngewebe erreicht werden. Mit Hilfe dieser Technik wurde die Anreicherung fluoreszenzmarkierter Antikörper nach systemischer Applikation erreicht und in vivo und ex vivo mittels optical imaging an Mäusen, wie auch anhand von Gefrierschnitten vom Gehirn gesunder Ratten dargestellt. Durch die Öffnung der Blut-Hirn-Schranke mittels 2-O-Hexyldiglycerin in Ratten und Mäusen mit intrazerebralen Glioblastomen konnte die Konzentration von Globulinen in allen vitalen, durchbluteten Bereichen des Tumors, des Tumorrandgebiets und im umgebenden Hirnparenchym angereichert werden.Diese Ergebnisse zeigen, dass die Inhibierung von TGF-beta mit Antikörpern eine mögliche neue Antikörpertherapie für die Behandlung von Glioblastomen darstellt, die mittels 2-O-Hexyldiglycerin in deutlich erhöhter Konzentration im Tumor und im Gehirngewebe in der Peripherie des Tumors angereichert werden kann. Künftige Untersuchungen müssen zeigen, ob mit einer Öffnung der Blut-Hirn-Schranke und gleichzeitiger Therapie mit 1D11 auch in intrazerebralen Gliomen Tumorregression erzielt werden kann