Diels-Alder Hydrogels for Intermittent Antibody Release
Biomaterials
Polymer Materials
Final Report Abstract
Therapeutische Antikörper haben die Therapie vieler schwerwiegender Erkrankungen entscheidend verbessert, insbesondere die lokale Therapie von Netzhauterkrankungen des Auges. Allerdings kann die regelmäßige Injektion in den Glaskörper mit schwerwiegenden Nebenwirkungen verbunden sein, wie zum Beispiel einer Atrophie der Netzhaut. Mit der vorliegenden Arbeit wurden Hydrogelen entwickelt, die Antikörper nach Injektion kontrolliert über längere Zeiträume freigeben und damit Spitzenkonzentrationen und Nebenwirkungen vermeiden. Die Anforderungen, die an solche Materialien im Rahmen der Anwendung gestellt werden, sind umfangreich und wurden im Rahmen des Projektes systematisch bearbeitet. Die Hydrogele müssen minimalinvasiv applizierbar sein. Während die wässrigen Polymerlösungen eine ausreichend niedrige Viskosität für die Injizierbarkeit hatten, musste die Geschwindigkeit der Gelbildung deutlich erhöht werden. Dies wurde zunächst durch das Einführen von hydrophoben C6- und C12- Körpern erreicht wodurch sich die Gelierungszeit um den Faktor 4 gegenüber den reinen Diels-Alder-Gelen steigern ließ. In einem zweiten Ansatz gelang es, dual gelierende Materialien zu entwickeln. Dazu wurden verzweigte Poloxamine an ihren Endgruppen so modifiziert, dass sie wieder über eine Diels-Alder Reaktion quervernetzen. Zusätzlich sind die Materialien bei 37°C thermogelierend, was eine sofortige Depotausbildung nach Injektion zur Folge hat. Diese ist mit der langsameren chemisch kovalenten Quervernetzung vollständig kompatibel, wodurch aus den thermogelierten Materialien mechanisch stabile Hydrogele erhalten wurden. Alle entwickelten Materialien sind bioabbaubar und erlauben die kontrollierte Freisetzung von Antikörpern. Abbau und Freisetzung lassen sich dabei von wenigen Tagen bis zu mehreren Monaten präzise einstellen. Bei der verwendeten Diels-Alder Reaktion kommt es häufig zu Nebenreaktionen zwischen Polymeren und freizusetzenden Proteinen. Dies kann zu einem Aktivitätsverlust und zu einer unvollständigen Freisetzung führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass sich diese Nebenreaktionen pH-unabhängig durch den Zusatz geringer Mengen von Polyanionen unterdrücken lassen. Polyanionen binden dabei über elektrostatische Wechselwirkungen reversibel an die Proteinoberfläche und bilden so einen "Schutzschild" aus, der Proteine während der Quervernetzung abschirmt. Durch diesen Mechanismus eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Depotsystemen für therapeutische Proteine, da Reaktionen die zuvor als kaum nutzbar galten nun verwendet werden können. Insgesamt wurden somit die zu Projektbeginn gesetzten Ziele weitgehend erreicht.
Publications
- Diels-Alder hydrogels as intraocular delivery systems for antibodies, 2015
Susanne Kirchhof
- The Diels-Alder reaction: A powerful tool for the design of drug delivery systems and biomaterials. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 97, part B: 438 - 453, 2015
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2016.07.030) - Click hydrogels for controlled local antibody delivery, 2017
Manuel Gregoritza
- Controlled antibody release from degradable thermoresponsive hydrogels cross-linked by Diels-Alder chemistry. Biomacromolecules, 18(8): 2410 - 2418, 2017
M. Gregoritza, V. Messmann, K. Abstiens, F. P. Brandl, A. M. Goepferich
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.biomac.7b00587) - Fabrication of antibody-loaded microgels using microfluidics and thiol-ene photoclick chemistry. Eur J Pharm Biopharm 127, 194–203, 2018
M. Gregoritza, K. Abstiens, M. Graf, A. M. Goepferich
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2018.02.024)
