Mikrofluidik zur Herstellung von Chitosan-TPP Nanopartikeln

Mikrofluidik kann durch das auf dem Nanolitergenaue Mischen die physiochemischen Eigenschaften von Nanopartikeln genau kontrollieren. Aus dem Grund soll in der vorgestellten Studie mit Hilfe von Chitosan der Heppe Medical Chitosan GmbH Nanopartikel zum Transport von Peptidwirkstoffen entwickelt werden. 

Nicht-invasive Verabreichung von Peptiden mit Hilfe von Chitosan-Nanopartikeln, die mittels skalierbarer Mikrofluidik-Technologie hergestellt werden

Giorgia Maurizii, Sofia Moroni, Javier Vicente Jimènez Núnez, Giulia Curzi, Mattia Tiboni, Annalisa Aluigi, Luca Casettari, Non-invasive peptides delivery using chitosan nanoparticles assembled via scalable microfluidic technology, Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, Vol. 7, 2024, https://doi.org/10.1016/j.carpta.2024.100424

Peptidwirkstoffe bieten eine vielversprechende Alternative zu small molecule Wirkstoffen durch ihre hohe Selektivität, Wirksamkeit und geringe Toxizität. Allerdings können Peptidwirkstoffe bisher nur intravenös verabreicht werden, um nicht-invasive Verabreichungswege, wie z.B. nasal, oral oder pulmonal, zu ermöglichen müssen geeignete Wirkstofftransportsysteme entwickelt werden. Dabei sind vor allem polymerbasierte Nanopartikel vielversprechend. Sie weisen viele Vorteile auf, z.B. einen guten Schutz gegen den vorzeitigen Abbau des Wirkstoffes, ein zielgerichteterer Transport, sowie eine verbesserte Bioverfügbarkeit und intrazelluläre Penetration.

Chitosan sticht als Material dafür besonders hervor, da es zusätzlich dazu noch eine gute Biokomptabilitität, Bioabbaubarkeit, als auch antibakterielle und antioxidative Eigenschaften aufweist. Ionotrophe Gelation ist dabei die gängigste Methode um Chitosan-Nanopartikel herzustellen. Dort wird das positiv geladene Chitosan mit einem anderen, negativ geladenen Molekül wie Tripolyphosphat (TPP) gemischt und bildet durch eine Sol-Gel Übergang Nanopartikel. Bei der konventionellen Bulk-Methode kommt es oft zu hohen Batch-to-Batch Variationen. Vermieden werden könnte das durch die Verwendung von Mikrofluidik-Chips. Durch die Miniaturisierung des Herstellungsprozessen und die Möglichkeit Flüssigkeiten im Nanoliterbereich zu zugeben, können die physiochemischen Eigenschaften der Nanopartikel kontrolliert werden. Zusätzlich hat die Herstellung in Mikrofluidikchips den Vorteil das Nanopartikeleigenschaften durch mikrofluidische Parameter wie die totale Flussrate, die Verhältnis der Flüsse zueinander und die Chipgeometrie optimiert werden können und das Scale up vereinfacht ist.

In der hier präsentierten Studie soll ein selbst hergestellter 3D Mikrofluidikchip für die Herstellung von Chitosan-TPP-Nanopartikeln genutzt werden, die mit Argirelin als Modellcargo beladen sind. Ziel ist es einen geeigneten Transporter für Peptidwirkstoffe zu entwickeln, indem die Flussrate im Chip, der pH und die Konzentration des Chitosans variiert wurde. Genutzt wird in der Studie ein Chitosan mit der Spezifikation 80/20 der Heppe Medical Chitosan GmbH. Anschließend wurden die Nanopartikel in einer Gelmatrix eingebettet um ein topikale Anwendung zu ermöglichen.

ERGEBNISSE

• Chitosan Konzentration und pH haben den größten Einfluss auf die Partikelgröße, während Chitosan und TPP Konzentrationen den PDI beeinflussen → Beste Nanopartikeleigenschaften bei pH 5, 2 mg/ml Chitosan und 0,5 mg/ml TPP
• Einschlusseffizienz von 90 % von Argirelin für die ausgesuchte Nanopartikelzusammensetzung sowie eine Größe von 186 ± 1 nm und ein PDI von 0.440 ± 0.002
• Nanopartikel in Gelmatrix besaßen geeignete mechanische Eigenschaften (z.B. Härte, Komprimierbarkeit, Klebefähigkeit, Kohäsion und Elastizität) für die transdermale Verabreichung von Argirelin
• Verbesserte Wirkstofffreisetzung über 48 h im Vergleich zu frei vorliegenden Nanopartikeln

Schlussfolgerungen: Diese Studie hat gezeigt, dass die mikrofluidisch unterstützte ionotrope Gelierungsmethode eine leicht skalierbare Plattform für die Herstellung von peptidbeladenen CS-TPP NPs sein könnte, die potenziell für die transdermale Verabreichung von Biologika eingesetzt werden könnten.

Link zum Artikel: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666893924000045?via%3Dihub