Nanoparticulate drug delivery systems for pseudomonas aeruginosa infected lungs in cytic fibrosis

Abstract

Current pulmonary treatments against Pseudomonas aeruginosa infections in cystic fibrosis (CF) lung suffer from deactivation and immobilization of the drug in thick and viscous biofilm/mucus blend, along with the general antibiotic resistance. The present work suggests pulmonary antibiotic delivery with high load, capable of penetrating the tight mesh of biofilm/mucus as a solution to existing treatment bottlenecks. The potential use of nanoparticulate drug delivery systems to improve the treatment efficiency of lung infections in CF lungs is investigated. First chapter describes counter-ion complexes as a strategy to enhance drug load and demonstrates its applicability to different antibiotic classes, as well as counter-ions. The second chapter focuses on the drug delivery system development and its optimization via design-of-experiments approach. For the proof-of-concept studies, biodegradable and biocompatible poly (lactic-co-glycolic acid) was suggested and ciprofloxacin was used as model drug substance. MicroJet Reactor (MJR) technology, a precise preparation technique performed under controlled conditions, was employed. Effect of each process parameter was evaluated to ensure quality-by-design. Final chapter is dedicated to physico-chemical and in vitro characterization of the optimized nanoparticles.Overall, the new established approach offers counter-ion complex loaded PLGA NPs as promising pulmonary nano drug delivery system against P. aeruginosa infections in CF lung.

Behandlungen von Pseudomonas aeruginosa Infektionen der Lunge von zystischer Fibrose (CF) Patienten, leiden unter Deaktivierung und Immobilisierung des Medikaments in dicken und viskosen Biofilm / Schleim Mischungen, zusammen mit der allgemeinen Antibiotika- Resistenz. Die vorliegende Arbeit schlägt eine pulmonale Antibiotika Verabreichung mittels Nanopartikeln mit hoher Wirkstoffbeladung vor, die in der Lage sind, das enge Maschenwerk von Biofilm / Schleim zu durchdringen, als eine Lösung für bestehende Behandlungsengpässe. Die potenzielle Verwendung von nanopartikulären Drug Delivery-Systemen, zur Verbesserung der Behandlungseffizienz von Lungeninfektionen bei Patienten mit CF, wird untersucht. Das erste Kapitel beschreibt Gegenion-Komplexe als Strategie zur Verbesserung der Wirkstoffbeladung und zeigt ihre Anwendbarkeit auf verschiedene Antibiotika-Klassen sowie Gegenionen. Das zweite Kapitel konzentriert sich auf die Entwicklung der Drug Delivery- Systeme sowie deren Optimierung durch einen Design-of-Experiments Ansatz. Für die Machbarkeitsstudien wurde das biologisch abbaubare und biokompatible Poly (lactid-coglycolid) eingesetzt und Ciprofloxacin als Modell-Wirksubstanz verwendet. Die Mikrojetreaktor (MJR) Technologie wurde dafür eingesetzt, da sie eine präzise Herstellung unter kontrollierten Bedingungen ermöglicht. Die Auswirkung jedes Prozessparameters wurde evaluiert, um quality-by-design sicherzustellen. Das abschließende Kapitel widmet sich der physikalischchemischen und in vitro-Charakterisierung der optimierten Nanopartikel. Insgesamt bietet der neu etablierte Ansatz, von Gegenion-Komplex beladenen PLGANanopartikeln, vielversprechende pulmonale Nano-Drug Delivery-Systeme gegen P. aeruginosa-Infektionen in Lungen von CF-Patienten.