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Vesicles form block copolymers of ethylene glycol and propylene sulfide
Towards multifunctional drug delivery system
Doctoral Thesis Author(s):
Napoli, Alessandro Publication date:
2003
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-004614328 Rights / license:
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Diss. ETH N° 15017
Vesicles from Block Copolymers of Ethylene Glycol and Propylene Sulfide - Towards Multifunctional Drug Delivery
Systems
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURlCH
for the degree of Doctor of Seiences
presented by Alessandro Napoli DottoreinChimica Industriale
Universitä degli Studi "La Sapienza", Roma, Italy born August 1, 1970
citizen of Italy
Accepted on the recommendation of Prof. Dr. Jeffrey A. Hubbell, examiner Prof. Dr. Wolfgang Meier, co-examiner
Prof. Dr. Paul Smith, co-examiner Dr. Nicola Tirelli, co-examiner
Zurich,2003
Summary
In the last twenty years many efforts were directed toward the development of liposomal drug delivery systems. These vesicular lipid aggregates have been studied extensively and have been proposed as drug carriers in such diverse routes of administration as oral, dermal and intravenous. Moreover liposome-encapsulated drugs have been tested for treatment of cancer, opportunistic infections as well as in gene and protein therapy.
Recently, vesicle-forming properties in water have been shown for synthetic amphiphilic block copolymers with a hydrophilie-hydrophobie volume ratio similar to that of lipids. Ithas been recognized that the added functionality of block copolymer vesicles, resulting from the higher molecular weights and the versatility in the design of different architectures offered by polymers, could be useful in designing 'next generation' vesicular drug carriers.
In this thesis a novel class of amphiphilic block copolymers is presented that is able to form vesicular aggregates in aqueous media. In addition, the functionality of stimulus-responsive degradation of those block copolymers has been sought through the choice of an appropriate hydrophobie block.
The target macroamphiphile studied was the triblock copolymer of ethylene glycol (EG) and propylene sulfide (PS) either with symmetrie (PEG-PPS-PEG) or asymmetric (PEG-PPS-PEG*) architecture. A novel synthetic methodology, based on the anionic ring-opening polymerization of PS onto a PEG macroinitiator was developed. The one pot process, the mild conditions and the living character of the polymerization allow the easy preparation of different block copolymers with the possibility to insert biological functional groups, such as peptides. The similarity with the Poloxamer (triblock copolymers of EG and propylene glycol - PBG-PPG-PEG) amphiphilic block copolymers has suggested for this dass of macroamphiphiles the use-name of'Sulfamers' .
Distinct lyotropic behavior was observed when water was added to PEG-PPS block copolymers. Lamellar phases, precursor to vesicular aggregates, were found to be the predominant state of aggregation in concentrated copolymer solutions in the range of temperature useful for biomedical applications. Unilamellar vesicles from two sulfamer block copolymers (EGI6PS2SEGg and EGI6PSSOEGI6) were obtained
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using standard liposome techniques such as freeze-thawing and extrusion. Vesicle suspensions were stable over months when stored at room temperature without change in their vesicular morphology.
One of the characteristics of PPS 1S its oxidation-sensitivity dueto the conversion of the thioethers into sulfoxides and sulfones. In the case of sulfamer copolymers, the oxidation of the PPS block is converting an initially amphiphilic copolymer into a water-soluble polymer, This has suggested the possible use of sulfamer vesicles for the delivery of therapeutic agents to inflammation sites, which are often characterized by the presence of oxidative species. The oxidative-triggered destabilization of sulfamer vesicles was investigated using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and electron microscopy techniques. Interestingly, the selective oxidation of the PPS block induces morphologieal changes in the colloidal aggregates due to changes in the hydrophilic-lipophilic balance (HLB) ofthe macroamphiphile.
Destabilization of sulfamer vesicles was studied when the oxidative environment was achieved using the enzymatic conversion of glucose into gluconolactone by glucose oxidase. Moreover the encapsulation of glucose oxidase into polymerie vesicles gave an insight into the glucose perrneability of sulfamer membranes and first evidence of the protein-resistant character of their surfaces.
Polymerie vesicles forrned by PEG-PPS-PEG block copolymers have shown interesting properties that make them ideal candidates as multifunctional vesicular drug carriers. Furtherrnore such block copolymers look promising in other applications, as lyotropic hydrogels and for surface functionalization in biosensing devices.
Zusammenfassung
Innerhalb der letzten zwanzig Jahre wurde mit viel Aufwand versucht, liposomale Medikamententrägersysteme zu entwickeln. Diese vesikulären lipidartigen Aggregate wurden intensiv untersucht und für die orale, dermale und intravenöse Verabreichung von Medikamenten vorgeschlagen, wobei die in diese vesikulären lipidartigen Aggregate eingeschlossenen Medikamente unter anderem auch für die Eignung der Behandlung von Krebs, opportunistische Infektionen sowie für Gen- und Proteintherapie getestet wurden.
Für synthetische amphiphile Block-Kopolymere konnte gezeigt werden, dass SIe ähnliche vesikuläre Eigenschaften In Bezug auf ihr hydrophobes Volumenverhältnis besitzen wie Lipide. Die höheren Molekulargewichte, und vor allem aber die Möglichkeit neue Bausteine während der chemischen Synthese einzubauen, eröffneten völlig neue Funktionalitäten für diese Form von Block- Kopolymeren, sodass man von einer neuen Generation von vesikulären Medikamententrägern sprechen kann.
In dieser Arbeit wird eine neue Form von amphiphilen Block-Kopolymeren vorgestellt die in wässriger Umgebung Vesikel formen, und die Funktionalität des induzierbaren Abbaus des Vesikels besitzen, die durch einen geeigneten hydrophoben Block des Kopolymers entstehen. Die untersuchte makroamphiphile Substanz war ein Triblock-Kopolymer aus Ethylenglykol (EG) und Propylensulfid (PS), mit symmetrischem (PEG-PPS-PEG) als auch mit asymmetrischem (PEG-PPS-PEG*) Aufbau. Hierfür wurde eine neue synthetische Methode, basierend auf einer anionischen Ringöffnungspolymerisierung von Propylensulfid auf einen PEG Makroinitiator entwickelt. Diese einfache Einschrittreaktion, die unter milden Bedingungen durchgeführt wird, erlaubt den Einbau von Proteinen und Peptiden ohne einen Funktionalitätsverlust befürchten zu müssen. In Analogie zu polyoxameren amphiphilen Block-Kopolymeren (Dreiblock Kopolymer bestehend aus EG und Propylenglycol - PEG-PPG-PEG) wird für diese Klasse von makroamphiphilen Substanzen der Name "Sulfamer" vorgeschlagen.
Ein spezifisches lyotrophes Verhalten wurde bei der Zugabe von Wasser zu PEG-PPS Block-Kopolymeren beobachtet. Lamellare Phasen, als Vorläufer von Vesikeln, konnten als Hauptkomponenten der Aggregation in konzentrierten
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Kopolymerlösungen bei Temperaturen, die für Biomedizinische Anwendungen geeignet sind, gefunden werden.
Unilamellare Vesikel konnten für zwei verschiedene sulfamere Block-Kopolymere (EGI6PS2SEGs und EGI6PSsoEGI6) mit Standardmethoden gezeigt werden.
Suspensionen dieser Vesikel waren über mehrere Monate bei Raumtemperatur stabil ohne ihre Morphologie zu verändern.
Ein Charakteristikum von PPS ist die Oxidationsempfindlichkeit des Thioethers zu Sulfoxiden und Sulfonen. Die Oxidation von PPS in den Sulfameren konvertiert das amphiphile Kopoloymer in ein wasserlösliches Polymer. Diese Eigenschaft erlaubt die mögliche Anwendung der Sulfamervesikel für die Freistzung von therapeutisch wirksamen Agentien an Stellen von Entzündungen, die sehr oft durch die Anwesenheit von oxidativen Molekülen charakterisiert sind.
Diese oxidationsinduzierte Destabilisierung der Sulfamervesikel wurde durch Nuklearer Magnetischer Rezonanz (NMR) Spektroskopie und elektronen- mikroskopischen Methoden untersucht. Dabei induziert die selektive Oxidation des PPS-Blocks morphologische Veränderungen im kolloidalem Aggregat durch eme Änderung des hydrophilenIhydrophoben Gleichgewichtes (HLB) im Makroamphiphil. Die Destabilisierung von Sulfamervesikeln wurde durch eme enzymatische Reaktion von Glukose zu Glukonolakton und Hydrogenperoxid durch die Glukoseoxidase untersucht. Diese Experimente gaben Informationen über die Glukosepermeabilität der Sulfamermembranen und zeigten, dass die Glukoseoxidase (Proteine) weder auf der Oberfläche adsorbieren noch die Sulfamermembran penetrieren konnten.
Polymere Vesikel aus PEG-PPS-PEG Block-Kopolymeren zeigen Eigenschaften, welche sie nicht nur zu idealen Kandidaten für multifunktionelle vesikuläre Medikamententräger machen, sondern auch neue Möglichkeiten für deren Verwendung als lyotrope Hydrogele und bei der Oberflächenfunktionalisierung von Biosensoren eröffnen.
