Synthese, Markierung und Evaluierung von HPMA-basierten Polymeren auf ihre Eignung als polymere Träger von Pharmaka
Final Report Abstract
Das Ziel einer Chemotherapie in der Onkologie ist die Schädigung der maligne entarteten Zellen unter Schonung der Normalgewebe. Aus diesem Grund muss versucht werden, die Chemotherapeutika gezielt im Tumor anzureichern, um dort eine maximale Zytotoxizität zu erreichen. Eine Möglichkeit hierfür liegt in der Verwendung makromolekularer Medikamententräger (Nanocarrier) zum Transport des Zytostatikums, da nur im Tumorgewebe mit seinen besonders durchlässigen Gefäßwänden diese Trägermoleküle die Blutbahn verlassen können und sich so im Tumor anreichern (Enhanced-Permeability-and-Retention EPR-Effekt). Im Rahmen des Projekts sollten neuartige poly-N-(2-Hydroxypropyl)Methacrylamid (pHPMA) Polymere entwickelt und bezüglich ihrer Eignung als Medikamententräger untersucht werden. Neben dem bereits aus der Literatur bekannten pHPMA-Homopolymer standen HPMA-Lauryl- Methacrylat (LMA)-Copolymere im Mittelpunkt des Interesses, die entweder zufällige (random) Überstrukturen bildeten (HPMA-ran-LMA-Copolymer) oder eine strukturierte Anordnung mit einem wasserabweisenden Kern und einer wasseranziehenden Hülle (HPMA-LMA-Block-Copolymere) ausbildeten. Für alle drei Polymersysteme erfolgte eine Synthese Moleküle mit unterschiedlicher Molekülmasse. Um die Verteilung dieser Polymere im Organismus und im Tumor verfolgen und quantifizieren zu können, wurden sie mit radioaktiven Isotopen 18F bzw. 131J markiert. Die Polymerverteilung konnte mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) verfolgt werden. Die Polymersysteme wurden zunächst physiko-chemisch charakterisiert, wobei sich zeigte, dass die Copolymere sehr große Aggregate (Überstrukturen) bildeten mit einem Molekülradius bis zu 110 nm. Die biologische Verteilung im Organismus zeigte erhebliche Unterschiede zwischen den Polymersystemen. Die Polymere mit niedrigem Molekulargewicht fanden sich überwiegend in der Niere, was für eine renale Elimination spricht, während die großen Homo- und Block-Copolymere sich in erster Linie in der Leber anreicherten. Die Konzentration der ran-Copolymere war im Blut auch über mehrere Stunden deutlich erhöht. Im Tumorgewebe zeigten die ran-Copolymere in zwei verschiedenen Tumormodellen eine stärkere Anreicherung als die Homo- oder Block-Copolymere, was eventuell auf die wasserabstoßenden LMA- Segmente auf der Oberfläche dieser Polymere zurückzuführen sein könnte. Durch gezielte Modifikationen der Molekülzusammensetzung ließ sich die Tumoraufnahme optimieren. Es wurde außerdem untersucht, ob durch Veränderung der Oberflächenstruktur der Block-Polymere durch Kopplung mit Polyethylenglykol (PEG2000 Da) die Körperverteilung beeinflusst und die Akkumulation im Tumorgewebe gesteigert werden könnte. Es zeigte sich, dass durch PEG die Bildung großer Aggregate mit diesem Polymer eingeschränkt wird, gleichzeitig aber die Tumoraufnahme als direkte Funktion des PEG-Anteils im Molekül verbessert werden kann. Eine zusätzliche Versuchsserie diente der Untersuchung, ob die Kopplung eines spezifischen Bindungsmoleküls (Ligand), das sich besonders stark an Tumorzellen anheftet, die Polymeraufnahme weiter gesteigert werden kann (aktives Targeting). Als Ligand diente in den Untersuchungen Folsäure (FS). Die FS-gekoppelten Polymere zeigten eine um 30-50% höhere Tumoranreicherung, was belegt, dass eine Kombination aus passivem (EPR-Effekt) und aktivem (Liganden-Bindung) Targeting eine sinnvolle Strategie für Nanocarrier ist. Die Ergebnisse der Untersuchung belegen aber auch einen wichtigen Aspekt der Einsetzbarkeit von Nanocarriern in der Klinik. Die Anreicherung der Polymere in den beiden untersuchten Tumormodellen war sehr unterschiedlich. Es kann daher nicht erwartet werden, dass in der klinischen Onkologie alle Patienten mit ihren sehr unterschiedlichen Tumoren gleichermaßen von einer solchen Therapie profitieren. Es muss daher eine Patienten-individuelle Therapieoptimierung (z.B. Auswahl eines geeigneten Nanocarriers) stattfinden, wobei die nicht-invasive Visualisierung der Polymerverteilung mittels PET hierbei sehr hilfreich sein kann.
Publications
- Modifying the body distribution of HPMA based copolymers by molecular weight and aggregate formation. Biomacromolecules 12: 2841-2849 (2011)
Allmeroth M, Moderegger D, Biesalski B, Koynov K, Rösch F, Thews O, Zentel R
(See online at https://dx.doi.org/10.1021/bm2005774) - Impact of molecular weight and structure of HPMA-based polymers on the in vivo body distribution. 91. Jahrestagung der Deutschen Physiologischen Gesellschaft, Dresden, 2012. Acta Physiol. 204 (Suppl. 689): 176-177 (2012)
Thews O, Allmeroth M, Moderegger D, Biesalski B, Rösch F, Zentel R
- HPMA-LMA copolymer drug carriers in oncology: An in vivo PET study to assess the tumor line-specific polymer uptake and body distribution. Biomacromolecules 14: 3091-3101 (2013)
Allmeroth M, Moderegger D, Gündel D, Koynov K, Buchholz HG, Rausch K, Rösch F, Zentel R, Thews O
(See online at https://doi.org/10.1021/bm400709z) - Modified hydroxypropyl methacrylate polymers (HPMAs) - Drug carriers for tumor targeting. 92. Jahrestagung der Deutschen Physiologischen Gesellschaft, Heidelberg, 2013. Acta Physiol. 207 (Suppl. 694): 250 (2013)
Gündel D, Allmeroth M, Schneider B, Zentel R, Misiak D, Thews O
- PEGylation of HPMA-based block copolymers enhances tumor accumulation in vivo: A quantitative study using radiolabeling and Positron Emission Tomography. J. Control. Release 172: 77-85 (2013)
Allmeroth M, Moderegger D, Gündel D, Buchholz HG, Koynov K, Rösch F, Thews O, Zentel R
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2013.07.027) - pH-dependent endocytosis in tumor cell lines. 93. Jahrestagung der Deutschen Physiologischen Gesellschaft, Mainz, 2014. Acta Physiol. 210 (Suppl. 695): 203 (2014)
Gündel D, Allmeroth M, Zentel R, Thews O
