Chemoenzymatic surface modification of liposomal drug carriers

Wöll, Steffen ORCID

Drugs are encapsulated in nano-sized liposomes to refine their pharmacokinetic, pharmacodynamic or physico-chemical behavior upon administration. Immunoliposomes utilize targeting ligands conjugated to their surface to specifically target the encapsulated drug to the disease affected tissue. The conjugation reaction combining the carrier and ligand is a critical manufacturing step since it is a possible source of product heterogeneities. In this work, Sortase A transpeptidase was investigated as chemoenzymatic tool providing a site specific anchoring of ligands on liposomes. Pentaglycine motifs serving as Sortase-A acceptor motifs were integrated into various liposomal formulations. Liposome manufacturing via a solvent injection process and subsequent tangential flow filtration was characterized regarding liposome size, polydispersity and lipid composition. Sortase-A catalyzed the conjugation of LPETG-modified antibodies to the liposomal surface. The reaction kinetics and efficiency were examined under aspects of liposomal surface properties, temperature, enzyme and substrate concentration. Additionally, Sortase-A depletion procedures from the reaction bulk and alternative manufacturing strategies (post-insertion) were characterized. Conjugation of CD11b¬ specific antibodies led to a targeting of liposomes to human and murine myeloid cells in vitro. For the first time, sortagged liposomes specifically delivered model fluorophores to murine splenic myeloid cells in vivo. Additionally, epidermal growth factor receptor targeted liposomes loaded with doxorubicin exhibited a specifically higher cytotoxicity on a breast cancer cell line compared to their non targeted counterparts. In this thesis, it became obvious that Sortase A transpeptidation is a suitable technology to anchor targeting ligands on liposomes. The obtained results contribute to the elucidation of site-selective conjugation strategies utilized for the design of targeted nanotherapeutics.

Arzneistoffe werden in nanoskalierte Liposomen verkapselt, um pharmakokinetische, pharmakodynamische oder physikochemische Eigenschaften des Wirkstoffs zu verbessern. Immunoliposomen verwenden Targeting-Liganden auf ihrer Oberfläche, um den verkapselten Stoff zielgerichtet zu krankheitsbefallenen Geweben zu transportieren. Die Konjugationsreaktion, die Ligand und Liposom vereint, ist ein kritischer Herstellungsschritt, da sie eine mögliche Ursache für Produktheterogenität darstellt. In dieser Arbeit wurde daher eine chemoenzymatische Transpeptidierung mittels Sortase A zum gerichteten Verankern von Liganden auf Liposomen untersucht. Dazu wurden verschiedene Liposomentypen mit Pentaglycin-Motiven versehen, die als Akzeptor für die Sortase-A Reaktion dienten. Diese Liposomen wurde erfolgreich mittels Sortase-A mit LPETG-tragenden Antikörpern modifiziert, wobei die Reaktion unter den Aspekten der liposomalen Oberfläche, Temperatur, Enzym- und Substratkonzentration sowie dem Aufreinigungsprozess charakterisiert wurde. Die Konjugation von CD11b spezifischen Antikörpern auf Liposomen führte zu einer erfolgreichen Targetierung von humanen und murinen myeloischen Zellen in vitro. Mittels Sortase A hergestellte Immunoliposomen wurden erstmalig auch in einem Tierexperiment getestet, in dem die spezifische Färbung von myeloischen Zellen in der Milz gezeigt werden konnte. Weiterhin zeigten mit Doxorubicin beladene und gegen den epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor gerichtete Immunoliposomen eine spezifisch höhere Toxizität auf einer Brustkrebs-Zelllinie als nicht-targetierte Formulierungen. Die vorliegende Arbeit demonstriert die Eignung der Sortase A katalysierten Transpeptidierung als Methode zum Verankern von Liganden auf Liposomen aus technologischer wie auch biologischer Perspektive. Die Resultate tragen daher zur Erforschung von selektiven Konjugationsstrategien für das Design von zielgerichteten Nanotherapeutika bei.

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Wöll, Steffen: Chemoenzymatic surface modification of liposomal drug carriers. 2019.

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