Modifikation und Optimierung biologischer, physikalischer und chemischer Eigenschaften Perfluorcarbon-basierter Nanopartikel als künstliche Sauerstoffträger
Der menschliche Körper kann außergewöhnliche Leistungen vollbringen, z. B. schnell laufen, schwere Gewichte heben und hoch springen. Dazu benötigt er Sauerstoff, der über die Lunge in den Blutkreislauf gelangt und durch das Hämoglobin zu den Zellen transportiert wird. Sauerstoffmangel (Hypoxie) kann schwerwiegende gesundheitliche Folgen haben und innerhalb von 4-5 Minuten zum Tod führen, wenn die Sauerstoffzufuhr plötzlich unterbrochen wird (Anoxie). Übermäßiges Training und besondere biologische Bedingungen können die Hypoxie-Toleranz verlängern. In Fällen von Hypoxie müssen die zugrunde liegenden Ursachen behandelt werden, und in einigen Fällen ist ein Hämoglobinersatz erforderlich. Künstliche Sauerstoffträger (Artificial Oxygen Carriers, AOC), wie Sauerstoffträger auf Hämoglobinbasis und Sauerstoffträger auf Perfluorkohlenstoffbasis, sind vielversprechende Alternativen zu Blut, sind aber in Europa oder den USA noch nicht zugelassen. Die Forscher arbeiten an der Verbesserung dieser Träger, um ihre Stabilität und Funktionalität zu optimieren.
Ziel dieser Arbeit war es, die künstlichen Sauerstoffträger auf Albuminbasis (A-AOC) im Hinblick auf ihre Stabilität während der Lagerung und Anwendung zu modifizieren und zu optimieren. Insbesondere sollte die Kompatibilität mit klinisch relevanten kristalloiden und kolloidalen Lösungen verbessert und ein Mechanismus zur Verlängerung der Sauerstoffabgabe entwickelt werden, um eine kontinuierliche Sauerstoffversorgung während der Kardioplegie zu gewährleisten.
Die A-AOCs wurden mit Lecithin als zusätzlichem Emulgator modifiziert, was zur Entwicklung der Lecithin-modifizierten nanoskaligen Sauerstoffträger (LENOX) führte. Die Verwendung von Humanalbumin aus klinischen Fertiglösungen führte zu instabilen Emulsionen, weshalb das verbesserte Syntheseverfahren LENOX optimized for human albumin (LENOX OFH) entwickelt wurde. Beide LENOX-Produkte wiesen im Vergleich zur lecithinfreien Emulsion größere Partikeldurchmesser auf, blieben aber unter 500 nm. Das Zetapotenzial konnte erhöht werden, ohne die Sauerstofffreisetzung zu beeinträchtigen, und das Fließverhalten verbesserte sich auf ein fast vollständig newtonsches Verhalten.
Das LENOX basic konnte bis zu 42 Tage bei 4 °C gelagert werden, ohne dass es nach den ersten sieben Tagen zu einem Funktionsverlust oder einer signifikanten Veränderung der Partikelgröße kam. Die Modifikation mit Lecithin verbesserte die Stabilität in klinisch relevanten Lösungen und ermöglichte eine bessere Anwendbarkeit in vitro und in vivo. In einer maschinellen Perfusion ohne Organ konnte LENOX basic seine Stabilität und Funktionalität über vier Stunden in verschiedenen Lösungen beibehalten. Die Sauerstoffträger mit verlängerter Freisetzung (E-ROC) verdoppelten die Sauerstofffreisetzungszeit. Zellkulturexperimente mit Kardiomyozyten zeigten, dass E-ROC eine signifikante Verbesserung der HIF-1α-Expression, der LDH-Freisetzung, der Glukoseaufnahme und der ROS-Bildung bewirkte.
In Zukunft sollen die neuen Entwicklungen in Tiermodellen getestet werden, um ihre Verträglichkeit und Wirksamkeit weiter zu untersuchen.
The human body can perform extraordinary feats, such as running fast, lifting heavy weights and jumping high. To do this, it needs oxygen, which enters the bloodstream via the lungs and is transported to the cells by hemoglobin. Oxygen deficiency (hypoxia) can have serious health consequences and can lead to death within 4-5 minutes if the oxygen supply is suddenly interrupted (anoxia). Excessive training and special biological conditions can prolong hypoxia tolerance. In cases of hypoxia, the underlying causes must be treated and in some cases hemoglobin replacement is necessary. Artificial oxygen carriers (AOCs), such as hemoglobin-based oxygen carriers and perfluorocarbon-based oxygen carriers, are promising alternatives to blood, but have not yet been approved in Europe or the US. Researchers are working on improving these carriers to optimize their stability and functionality.
The aim of this work was to modify and optimize the albumin-based artificial oxygen carriers (A-AOC), regarding their stability during storage and application. In particular, the compatibility with clinically relevant crystalloid and colloidal solutions was to be improved and a mechanism for prolonging oxygen release was to be developed in order to ensure a continuous oxygen supply during cardioplegia.
The A-AOCs were modified with lecithin as an additional emulsifier, which led to the development of the lecithin-modified nanoscaled oxygen carriers (LENOX). The use of human albumin from clinical ready-to-use solutions led to unstable emulsions, which is why the improved synthesis process LENOX optimized for human albumin (LENOX OFH) was developed. Both LENOX products had larger particle diameters compared to the lecithin-free emulsion, but remained below 500 nm. The zeta potential could be enhanced without affecting the oxygen release and the flow behavior improved to an almost completely Newtonian behavior.
The LENOX basic could be stored at 4 °C for up to 42 days without loss of function or significant changes in particle size after the first seven days. The LENOX OFH showed a decrease in stability and functionality after 21 days.The modification with lecithin improved the stability in clinically relevant solutions and enabled better applicability in vitro and in vivo. In a machine perfusion without organ, LENOX basic was able to maintain its stability and functionality over four hours in different solutions. The extended-release oxygen carriers (E-ROC) doubled the oxygen release time. Cell culture experiments with cardiomyocytes showed that E-ROC caused significant improvements in HIF-1α expression, LDH release, glucose uptake and ROS formation.
In the future, the new developments will be tested in animal models to further evaluate their tolerability and efficacy.