Polyethylenimine- and lipid-based nanoparticles as gene and drug delivery systems for aerosol therapy to the lung [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Elke Kleemann

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• Publié le: 01 janvier 2005
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Polyethylenimine- and lipid- based
nanoparticles as gene and drug delivery systems
for aerosol therapy to the lung





Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)

dem
Fachbereich Pharmazie
der Philipps Universität Marburg


vorgelegt von

Elke Kleemann
aus Leipzig




Marburg/Lahn 2005








































Vom Fachbereich Pharmazie
der Philipps-Universität Marburg als Dissertation am 24. Mai 2005 angenommen.

Erstgutachter: Prof. Dr. Thomas Kissel
Zweitgutachter: Prof. Dr. Werner Seeger

Tag der mündlichen Prüfung am 25.Mai 2005 Die vorliegende Arbeit
entstand auf Anregung und unter Anleitung von

Herrn Prof. Dr. Thomas Kissel

am Institut für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie
der Philipps-Universität Marburg


und in enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von

Herrn Prof. Dr. Werner Seeger

im Fachbereich Innere Medizin / Pneumologie,
Justus-Liebig-Universität Gießen





meinen Eltern
Angelika & Thomas Kleemann
in Liebe und Dankbarkeit Danksagung

Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Thomas Kissel für die Betreuung meiner
Doktorarbeit und sein in mich gesetztes Vertrauen. Sein großer Erfahrungsschatz und die stete
Diskussionsbereitschaft haben maßgeblich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Er war
stets ein verständnisvoller und motivierender Doktorvater für mich und hat es mir ermöglicht,
verschiedenste Themen kennen zu lernen und mit Arbeitsgruppen anderer Fachbereiche
zusammenzuarbeiten.
Im gleichen Maß möchte ich Prof. Dr. Werner Seeger danken für die hervorragende
Zusammenarbeit und Betreuung meiner Arbeiten in Giessen. Für seinen unerschöpflichen
Vorrat an Ideen und Energie in vielen Diskussionsrunden möchte ich ihm vielmals danken.
Dr. Thomas Schmehl und Dr. Tobias Gessler möchte ich nicht nur für die angenehme und
produktive Zusammenarbeit auf herzlichste danken, sondern auch für ihre immer freundliche
und motivierende Art. Stets hatten sie ein offenes Ohr für Fragen oder Probleme und haben
mit vielen guten Ideen und Engagement im Labor meine Arbeit maßgeblich vorangebracht.
Aus dem Arbeitskreis von Herrn Prof. Dr. Seeger möchte ich außerdem Dr. Ludger Fink,
Dr. Norbert Weismann, Dr. Ralph Schermuly, Dr. Jörg Henze und Dr. Ullrich Maus vielmals
danken für die gute Zusammenarbeit, die konstruktiven Diskussionen und Anregungen.
Norman Jekel möchte ich im Besonderen danken für seine ansteckend gute Laune, sowie
seine unglaubliche Können im Umgang mit Tieren, welche die vielen Stunden im
„Mäuselabor“ sehr angenehm gemacht haben.
Dem Arbeitskreis von Herrn Prof. Dr. Clive Roberts von der University of Nottingham
möchte ich herzlich danken für die ausgezeichnete Zusammenarbeit sowie die interessante
Zeit dort. Dabei möchte ich vor allem Dr. Hosam Abdelhady für die Einarbeitung in die
Rasterkraftmikroskopie danken und allen anderen Kollegen für die spaßige Zeit nach dem
Mikroskopieren.
Prof. Dr. Udo Bakowsky möchte ich für seine guten Ratschläge, seine
Diskussionsbereitschaft sowie für die Anfertigung von Rasterkraftmikroskopieschen
Aufnahmen danken.
Allen Kollegen in Marburg danke ich für die wunderbare Zeit. An erster Stelle möchte
ich Dr. Lea Ann Dailey herzlich danken. Vom ersten Tag an hatte ich mit ihr nicht nur eine
ausgezeichnete und hilfsbereite Kollegin gewonnen, sondern auch eine wunderbare Freundin.
Für die Hilfe beim Erlernen neuer Methoden während meiner ersten eineinhalb Jahre in
Marburg danke ich meinen ehemaligen Kollegen PD Dr. Dagmar Fischer, Dr. Christine Oster, Dr. Carola Brus, Dr. Thomas Merdan, Dr. Matthias Wittmar, Dr. Ullrich Westedt, Dr.
Michael Simon und Dr. Holger Petersen. Die vielen schönen Stunden mit ihnen, auch nach
der Arbeit, werden mir immer als schöne Erinnerung bleiben. Allen Kollegen, die mich vor
allem in der zweiten Hälfte meiner Doktorarbeit begleiteten, möchte ich danken für die Hilfe
im Labor und die erlebnisreichen schönen Stunden auch nach der Arbeit, die ich schmerzlich
vermissen werde. Für die erfolgreiche Zusammenarbeit und die ausführlichen Diskussionen
möchte meinem „TAT-PEI-Kollegen“ Michael Neu danken. Meinen Büropartnern Dr. Lea
Ann Dailey, Olivia Merkel, Jutta Fuchs, Nicole Bamberger und Florian Unger möchte ich für
die angenehme und amüsante Zeit in der Behringvilla und die ausgezeichnete Teeversorgung
danken. Für die vielen gemeinsamen Stunden nach der Arbeit bei gutem Wein und Essen
möchte ich vor allem Claudia Packhäuser, Martina Lehmann, Dr. Ana Cerra Pohl, Dr. Peter
Hölig, Florian Unger und Oliver Germershaus danken. Bei Dr. Lea Ann Dailey, Dr. Trevor
Keel und Dr. Peter Hölig möchte ich mich für die Durchsicht und Korrektur dieser Arbeit
herzlich bedanken.
Weiterhin gilt mein Dank Eva Mohr, Nicole Bamberger für ihre ausgezeichnete Arbeit in
der Zellkultur, Klaus Keim für die oft kurzfristige Anfertigung von hervorragenden
Graphiken, Herrn Lothar Kempf für die Aufrechterhaltung des Betriebs unserer Geräte und
die Fertigung mehrerer Hilfsmittel, Christane Held für die Herstellung von DNA und Petra
Janssen für die Messung vieler Proben.
An dieser Stelle möchte ich meinen liebevollen Eltern für ihre stete Unterstützung in
allen Lebenslagen und ihr Verständnis für all meine Entscheidungen von ganzem Herzen
danken.
Last, but not least, I would like to thank Trevor Keel, not only for his support during my
thesis, but especially for his optimism, his cheerfulness, and his love, which keep me smiling
day after day.


Table of Contents

General introduction................................................................................................................1
Inhalation – A brief overview of pulmonary drug delivery...................2
Cellular and extra cellular barriers in pulmonary drug delivery – An overview of the lung
anatomy and physiology.........4
Inhalation devices...................................................................................................................8
Gene therapy.........................11
Gene delivery vehicles......12
Polyethylenimine mediated gene transfer ........................................................................13
Pulmonary gene therapy...................................16
Pulmonary gene delivery by viral vectors........17
Pulmonary gene delivery by non-viral vectors - a brief overview...18
Pulmonary gene delivery by polyethylenimine.................................................................20
Liposomal drug delivery systems .........................................................21
Liposomes as pulmonary drug delivery vehicles..............................26
Aims of this thesis ................................................................................28
References............................30
Modified polyethylenimines as non-viral gene delivery systems for aerosol gene therapy:
Investigations of the complex structure and stability during air-jet and ultrasonic
nebulization.............................................................................................................................42
Abstract.................................43
Introduction..........................44
Methods and materials..........................................................................45
Results and Discussion.........49
Conclusions ..........................................................................................................................61
References............................62
Enhanced gene expression in mice using polyplexes of low-molecular weight
polyethyleneimine for pulmonary gene therapy ..................................................................65
Abstract.................................................................66
Introduction..........................67
Methods and materials..........68
Results and Discussion.........................................................................73
Conclusion............................................................................................88
References89
Enhanced pulmonary gene expression using low-molecular-weight polyethylenimine
polyplexes is facilitated by low in vivo toxicity and improved distribution in both
conducting and respiratory airways .....................................................................................92
Abstract.................................................................93
Introduction..........................94
Materials