Novel cell based in vitro models to study nanoparticle interaction with the inflamed intestinal mucosa

Abstract

Along with increasing research in the field of drug delivery and nanotechnology there is an urgent need to improve test tools for efficacy and safety of nanomedicines. In this thesis an in vitro model of the inflamed intestinal mucosa was developed which combined with a novel silicon nitride based cell culture support advances drug and formulation testing in the context of inflammatory bowel disease. The in vitro model consists of an epithelial cell line combined with primary macrophages and dendritic cells and stimulated via pro-inflammatory factors such as interleukin-1β (IL-1ß). The model reflects pathophysiological changes observed in vivo e.g. decreased epithelial barrier function, increased production of pro-inflammatory cytokines, and increased mucus production. The potential as a testing system for (nano)-formulations was demonstrated comparing anti-inflammatory activity of liposomal budesonide and polymeric nanospheres. Increased activity of budesonide nanoparticles which accumulate in the tight junctional region was observed. In addition, hindered diffusion of particles and macromolecules that caused underestimation of transport across standard, polyester based cell culture supports was addressed. The silicon nitride based microporous membranes of only 500 nm thickness proposed in this thesis provided excellent growth properties while reducing the membrane influence, thus allowing the first study on nanoparticle translocation across the intestine in vitro.

Um die Effizienz und Sicherheit von Nanomedikamenten zu bestimmen müssen in vitro Testsysteme angepasst und optimiert werden. In dieser Arbeit wurde ein in vitro Modell der entzündeten Darmmukosa und einem neuartigen Silikonnitrid basiertem Zellkultursystem entwickelt, mit dem die Testung von Arzneistoffen und Formulierungen zur Therapie chronisch entzündlicher Darmerkrankungen erlaubt. In einer Ko-Kultur von intestinalen Epithelzellen mit primären Makrophagen und dendritischen Zellen, wird über die Zugabe von IL-1ß eine Entzündung ausgelöst. Im Modell zeigen sich daraufhin pathophysiologische Veränderungen wie eine Verminderung der Barriereeigenschaften und eine verstärkte Produktion von Mukus und Zytokinen. Der Einsatz als Testsystem für verschiedene pharmazeutische (Nano)-Formulierungen wurde am Beispiel des Budesonid überprüft und wurden miteinander verglichen. Nur die Nanopartikel reicherten sich zwischen den Epithelzellen an und hatten die höchste antientzündliche Potenz. Ein zusätzliches Problem in der in vitro Testung von Nanopartikeln stellen die herkömmlichen Zellkultursubstrate auf Basis von Polyestermembranen dar. Auf Grund des kleinen Porenradius und der relativen Membrandicke wird die freie Diffusion größerer Teilchen über den Filter eingeschränkt. Der Einsatz einer Silikonnitridmembran mit einer Dicke von nur 500 nm beschleunigte den Transport der Partikel und erlaubte erstmals die Bestimmung relevanter Translokationsdaten über funktionelle Caco-2 Monolayer.