Pulverformulierungen für die nasale Vakzinierung

Trows, Sabrina

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Charakterisierung von Pulverformulierungen für die nasale Vakzinierung beschrieben. Dabei werden mit den mikropartikulären und nanopartikulären Formulierungen zwei unterschiedliche Formulierungsansätze verfolgt. Die mikropartikulären Formulierungen beinhalten sprühgetrocknete Chitosan-Mikropartikel, in denen ein Modellantigen, das Rinderserumalbumin (BSA), inkorporiert ist. Die Partikelgröße der Mikropartikel liegt im unteren Mikrometerbereich, was im Hinblick auf eine partikuläre Aufnahme durch spezialisierte Zellen des lymphatischen Gewebes der Nase und eine anschließende lokale Prozessierung vorteilhaft ist. Allerdings lassen sich die Mikropartikel durch die verwendete Applikationshilfe, den PowderJet, nicht reproduzierbar dispergieren und weisen ein ungünstiges nasales Depositionsprofil mit einer hohen post-nasalen Fraktion auf. Um diese Eigenschaften zu verbessern, wurden die Mikropartikel zusammen mit unterschiedlichen Trägermaterialien (Mannitol, Sorbitol, Maltitol) gemischt und so interaktive Pulvermischungen hergestellt. Die Mikropartikel adhärieren auf der Oberfläche der größeren Trägerpartikel, welche aufgrund ihrer Größe und der damit verbundenen Trägheit überwiegend nasal abgeschieden werden. Aufgrund der Codeposition von Mikro- und Trägerpartikeln kann die nasale Deposition verbessert und die post-nasale Fraktion deutlich reduziert werden. Die Untersuchungen zeigten außerdem, dass die nasale Deposition nicht nur von der Formulierung, sondern auch von der Applikationshilfe abhängig ist. So konnten mit Hilfe des Powder UDS, welches für die Einmalapplikation von Pulvern entwickelt wurde, bessere Ergebnisse als mit dem reservoirbasierten PowderJet erzielt werden. Für die nanopartikulären Formulierungen wurden Nanopartikel aus Agarose mittels einer Präzipitationsmethode hergestellt, die mit einem Modellantigen, dem Ovalbumin (OVA), beladen sind. Um diese Nanosuspension in eine finale Pulverformulierung zu überführen, wurden zwei unterschiedliche Methoden genutzt. Zum einen wurde die Nanosuspension zusammen mit Mannitol sprühgetrocknet, so dass die Nanopartikel in eine mikropartikuläre Matrix eingebettet wurden. Zum anderen wurden Trägerpartikel aus Mannitol mit der Nanosuspension gecoatet. In diesem Fall lagen die Nanopartikel auf der Oberfläche des Mannitols vor. Beide Formulierungen lassen sich mit Hilfe des Powder UDS dispergieren, allerdings unterscheiden sie sich in ihren Depositionsprofilen. Während die gecoatete Formulierung zu einer unerwartet hohen post-nasalen Fraktion führt, zeigt die sprühgetrocknete Formulierung eine angemessene nasale Deposition und ist daher für die nasale Anwendung besser geeignet. Neben der Entwicklung und der anwendungsorientierten Charakterisierung der Formulierungen wurde auch die Stabilität der verwendeten Modellantigene untersucht. Die Herstellung der primären Antigenträger (Mikropartikel und Nanopartikel) beeinflusst die Primärstruktur der Proteine nicht und die Sekundärstruktur nur geringfügig. Die Untersuchung der Lagerstabilität der Chitosan-Mikropartikel zeigte, dass eine Lagerung bei erhöhter Temperatur und Luftfeuchte (40°C/75% rF) zwar zu einer nennenswerten Reduzierung des Proteingehalts führte, allerdings bleiben sowohl die Primär- als auch die Sekundärstruktur des BSAs bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von sechs Monaten annähernd unverändert. Allerdings ist die Proteinstabilität insgesamt noch nicht zufriedenstellend und im Hinblick auf eine dahingehende Optimierung der Formulierung sollte auch der Einsatz alternativer Polymere evaluiert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl der mikro- als auch der nanopartikuläre Ansatz zu vielversprechenden Pulverformulierungen für die nasale Vakzinierung geführt haben. Die Mikropartikel bieten den Vorteil, dass eine Aufnahme größerer Mengen eines Antigens über spezialisierte M-Zellen erfolgen kann. Die Nanopartikel werden dagegen schneller, vor allem von im Gewebe verteilten dendritischen Zellen, aufgenommen. Daher wäre im Hinblick auf eine optimale Formulierung auch eine Kombination dieser beiden Antigenträger denkbar.

The aim of the study was the development and characterization of dry powder formulations for nasal vaccination. For this, two formulation strategies were evaluated, which involve nano- as well as microparticulate formulations. The microparticulate formulations contain spray dried chitosan microparticles with incorporated bovine serum albumin (BSA) as a model antigen. The particle size of the microparticles is in the low micrometer range which allows uptake of the particles by specialized cells of the nasal lymphoid tissue and hence local processing. However, the microparticles cannot be dispersed reproducibly by the utilized nasal device (PowderJet) and nasal deposition profiles show an undesired high post-nasal fraction. In order to improve the performance interactive powder blends showing low separation tendency were implemented using sugar alcohols (mannitol, sorbitol, maltitol) as carriers. Based on the co-deposition of microparticles and carrier the nasal deposition is improved and the post-nasal fraction is significantly reduced. In addition, experiments showed that the nasal deposition is not only dependent on the formulation but also on the device. Comparing two devices, the Powder UDS, which is a disposable single use device, leads to better deposition profiles and is therefore superior to the reservoir-based PowderJet. For the nanoparticulate formulations agarose nanoparticles containing the model antigen ovalbumin (OVA) were prepared by a precipitation method. In order to convert the obtained nanosuspension into a dry powder two different methods were used. On the one hand, the nanosuspension was spray dried together with mannitol. In this case the nanoparticles were embedded in a microparticulate mannitol matrix. On the other hand, mannitol carrier particles were coated with the nanosuspension so that in the final formulation the nanoparticles were located on the surface of the carrier. Both formulations can be readily dispersed by means of the Powder UDS, but show differences in the nasal deposition profiles. While the coated formulation leads to a high post-nasal fraction the spray dried formulation reveals an appropriate nasal deposition profile and is therefore more suitable for nasal administration. In addition to the development and application-oriented characterization of the formulations the stability of the model antigens was analyzed. The preparation methods of the antigen delivery systems (micro- and nanoparticles) do not influence the primary structure of the proteins and the secondary structure was only marginally changed. The examination of the storage stability of the chitosan microparticles revealed that storage at elevated temperature and relative humidity (40°C/75% RH) leads to a noteworthy decrease in protein content, but during six months storage at room temperature the protein showed no change in primary and secondary structure. Overall the protein stability needs to be improved and for this the use of alternative polymers should be evaluated. In conclusion, the developed micro- and nanoparticulate formulations are promising delivery systems for nasal vaccination. Microparticles can be taken up by specialized M-cells in the nasal associated lymphoid tissue and are able to deliver higher amounts of antigens, whereas nanoparticles can be taken up faster especially by dendritic cells distributed throughout the epithelium. Therefore a combination of both delivery systems might also be feasible.

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Trows, Sabrina: Pulverformulierungen für die nasale Vakzinierung.

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