The role of fluid dynamics, microstructure and mucociliary clearance in the micro- and macroscopic barrier properties of pulmonary mucus

Abstract

Major issues in both toxicological as well as pharmaceutical research are biological barriers, impeding the invasion of pathogens but also the delivery of beneficial substances into the body. The upper lungs as site of application of such substances exhibit a particularly efficient biological barrier: the mucus blanket and its mucociliary clearance. The fate of particles upon deposition onto the moving mucus barrier is yet unsolved and was central theme of this work. In this context, mucociliary clearance of nanoparticles and its fluid dynamics were investigated. These results were correlated with the analysis of microscopic and macroscopic particle penetration behavior in mucus and mucus structure. Here, the application of complex methods such as cryoscopic scanning electron microscopy (cryo-SEM), atomic force microscopy (AFM) and optical tweezers revealed the mechanisms of particle mobility in mucus. It could be shown that mucociliary clearance is independent on particle properties such as size, shape, charge or surface chemistry. It was demonstrated that this is due to the only poor particle mobility in mucus: The polymer scaffold of mucus is highly rigid which, in combination with the extensive heterogeneity in pore size, impedes particle translocation. In contrast to model gels and due to this rigidity, particles in mucus which are exposed to external force fields cannot deform or rupture the polymer scaffold of mucus.

Ein zentrales Thema sowohl in der toxikologischen als auch der pharmazeutischen Forschung sind biologische Barrieren, welche die Aufnahme von Krankheitserregern aber auch Pharmazeutika in den Körper erschweren. Die obere Lunge als Applikationsort solcher Substanzen weist eine besonders effiziente biologische Barriere auf: die Mukus-Schicht mit ihrer mukoziliären Clearance. Das Schicksal von Partikeln nach deren Deposition auf der bewegten Mukus-Schicht ist noch ungeklärt und war zentrales Thema dieser Arbeit. In diesem Kontext wurde die mukoziliäre Clearance von Nanopartikeln und deren Fluid Dynamik untersucht. Die Ergebnisse wurden mit der Analyse des mikro- und makroskopischen Penetrationsverhaltens von Partikeln in Mukus und dessen Struktur korreliert. Dabei deckte die Anwendung von Kryo-Elektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und der optischen Pinzette die Mechanismen der Partikelmobilität in Mukus auf. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die mukoziliäre Clearance unabhängig von Partikelgröße, -form, -ladung, oder -oberflächenchemie ist. Es wurde nachgewiesen, dass dies auf die vernachlässigbare Partikelmobilität in Mukus zurückzuführen ist: Das Polymergerüst von Mukus ist hoch rigide, was aufgrund der großen Heterogenität der Porengröße die Partikeltranslokation behindert. Im Gegensatz zu den verwendeten Modell-Gelen und aufgrund dieser Rigidität können Partikel, die einem externen Kraftfeld ausgesetzt sind, das Polymergerüst von Mukus nicht zerstören.