Liposomale Nanomedizin für gezielte Krebsmedikamentenabgabe: Wirksamkeit und Sicherheit erhöhen

Zusammenfassung

Die zunehmende Prävalenz von Krebs – eine Erkrankung, bei der rasches, unkontrolliertes Zellwachstum Komplikationen und Gewebedysfunktion verursacht – ist eines der ernsthaften und drängenden Anliegen von Wissenschaftlern und Ärzten. Heutzutage gelten Krebsdiagnose und insbesondere ihre effektive Behandlung als eine der größten Herausforderungen in Gesundheit und Medizin des letzten Jahrhunderts. Trotz signifikanter Fortschritte in Wirkstoffentdeckung und -abgabe stellen ihre zahlreichen Nebenwirkungen und unzureichende Spezifität und Sensitivität, die meist gesunde Gewebe und Organe schädigen, große Hürden dar. Auch die Beschränkung in Dauer und Menge der Verabreichung dieser Therapeutika ist herausfordernd. Andererseits unterstreicht das Auftreten von Tumorzellen, die gegen Standardbehandlungen wie Chemo- und Strahlentherapie resistent sind, den dringenden Bedarf an Innovation, Verbesserung und Entwicklung antitumorale Wirkstoffeigenschaften. Liposomen wurden als geeignete Kandidaten für Wirkstoffabgabe und Krebstherapie in der Nanomedizin vorgeschlagen, da sie Wirkstoffe mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften speichern können. Zudem bietet die hohe Flexibilität und das Potenzial der Liposomenstruktur für chemische Modifikation durch Konjugation diverser Polymere, Liganden und Moleküle einen signifikanten Vorteil, nicht nur um ihre pharmakologischen Meriten zu steigern, sondern auch die Wirksamkeit von Antikrebsmedikamenten zu verbessern. Liposomen können Sensitivität, Spezifität und Verweildauer dieser Anti-Malignom-Zell-Agente im Körper erhöhen und bemerkenswerte Vorteile für nanomedizinische Anwendungen bieten. Wir haben die Entdeckung und Entwicklung von Liposomen mit Fokus auf ihre klinischen Anwendungen zur Behandlung diverser Krebsarten und Erkrankungen rezensiert. Wie die Eigenschaften liposomaler Medikamente verbessert werden können und ihre Chancen und Herausforderungen für die Krebstherapie wurden ebenfalls betrachtet und diskutiert.

Graphische Zusammenfassung

Graphische Zusammenfassung der liposomalen Nanomedizin für gezielte Krebsmedikamentenabgabe

Einleitung

Krebs, eine Erkrankung, bei der gesunde Körperzellen aus dem Normalzustand geraten und sich unkontrolliert teilen, wird als große medizinische Herausforderung des aktuellen Jahrhunderts erkannt. Diese Komplikation wird durch Anreicherung umweltbedingter Karzinogene oder genetischer Mutationen verursacht [1] und als große medizinische Herausforderung des aktuellen Jahrhunderts angesehen. Jährlich sterben Millionen Menschen an Krebs, und die Zahl neuer Patienten und die Mortalitätsrate wachsen stetig [2]. Laut WHO-Berichten war Krebs 2018 die zweithäufigste Todesursache; geschätzt starben 9,6 Millionen Menschen an verschiedenen Krebsarten. 2018 war ca. 1 von 6 Todesfällen krebsbedingt. Etwa 70 % der Krebstodesfälle treten in Entwicklungs- und Niedrigeinkommensländern auf. Doch auch Inzidenz und Letalität in Industrieländern müssen berücksichtigt werden [3].

Chemotherapie mit Antitumor-Wirkstoffen ist eine wichtige Krebstherapie [4]. Chemotherapie mit freien Wirkstoffen ist durch mangelnde Sensitivität und Spezifität limitiert. Dies verhindert präzise Behandlung aufgrund von Nebenwirkungen und hemmt ausreichende antitumorale Wirkung [5]. Chemoimmuntherapie, eine kombinierte Begleitbehandlung, wurde als effektive und vielversprechende Methode für Krebstherapie vorgeschlagen, explizit zur Behandlung tumorresistenter Zellen gegen konventionelle Medikamente. In jüngster Zeit wurden diverse konventionelle und fortschrittliche Behandlungen zur Krebsbehandlung entdeckt und angewendet. Als Beispiel: Zur Reduktion von Nebenwirkungen konventioneller Antikrebsmedikamente, speziell Chemotherapeutika, wurden verschiedene Nanomedikamente [6] eingesetzt, darunter virale Nanopartikel (VNPs) [7, 8], Quantenpunkte [9], Polymernanomaterialien [10] und Liposomen [11].

Unter verschiedenen Nanomedikamenten haben Liposomen als kugelförmige Nanopartikel (NPs) eine besondere Struktur. Die Anwesenheit zweier wässriger und organischer Phasen in der Liposomenzusammensetzung ermöglicht die Einlagerung sowohl hydrophiler als auch hydrophober Wirkstoffe und schafft einen bemerkenswerten Vorteil gegenüber vielen Nanoträgern. Eine Möglichkeit, Spezifität, Bioverfügbarkeit und Biokompatibilität antitumoraler Wirkstoffe zu erhöhen, ist ihre Einlagerung in diverse Liposomentypen [5]. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, Liposomen für therapeutische Zwecke zu nutzen. Einige dieser Medikamente, wie DaunoXome® und Caelyx®, wurden für allgemeine und klinische Anwendungen zugelassen, andere befinden sich in finalen Produktions- und Zulassungsphasen [12].

Generell gibt es verschiedene therapeutische Liposomentypen wie Immunliposomen und pH-sensible Liposomen. Immunliposomen sind eine große Gruppe nanomedizinischer Geräte, auch als gezielte Drug Delivery Systems (DDSs) bekannt, die in Studien signifikante anti-malignome Effekte zeigten [13]. pH-sensible Liposomen sind eine Gruppe polymorpher Liposomen, bei denen Struktur und Bestandteile durch pH-Änderung verändert werden, was zur Freisetzung ihres Wirkstoffinhalts führt [14]. Zudem haben Liposomen wie andere Nanomedikamente Potenzial für Gewebereparatur und -regeneration, Bildgebung und Diagnose neben Drug Delivery Systems. Die Nutzung von Liposomen in verschiedenen Aspekten vereinfacht Identifikation, Management und Behandlung von Erkrankungen und Krebs [15].

In diesem Artikel werden Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Entdeckung und Struktur von Liposomen, verschiedene Liposomen-Eigenschaften, liposomale Medikamente für Krebstherapie auf dem Markt und ihre Entwicklung dargestellt. Abschließend wird ein Bericht zu Chancen und Herausforderungen liposomaler Nanomedikamente gegeben, der als entscheidende Punkte für zukünftige Forschung hervorgehoben werden kann, um Limitierungen zu beseitigen und positive Aspekte zu stärken.

Hauptteil

Wissenschaftliche Geschichte der Liposomen: Entdeckung und Definition

Es dauerte etwa 1950 Jahre von frühen Studien zu Struktur und Verhalten kleiner Lipidpartikel in wässriger Umgebung bis zum ersten US-FDA-zugelassenen lipidbasierten Drug-Delivery-Nanopartikel. Der Prozess begann mit ersten Beobachtungen von Plinius dem Älteren vor fast 2000 Jahren [16]. Im späten 17. Jahrhundert warf die Zellentdeckung durch Anthonie Van Hook viele Fragen zur Zellstruktur auf [17]. Dann entdeckten Gorter und Grendel Phospholipid-Doppelschichten in Zellmembranen [18]. Anschließend beschrieben Singer und Nicolson das Mosaikmodell der Doppelschichtmembran zur Erklärung des Verhaltens von Zellmembran-Phospholipiden [19]. Diese wissenschaftlichen Beobachtungen und Hypothesen lenkten die Aufmerksamkeit anderer Wissenschaftler auf fettbasierte NPs. In den 1960er Jahren beobachtete Alec D. Bangham, der am Babraham-Institut [20, 21] den Einfluss von Lipiden, besonders Phospholipiden, auf Blutgerinnung untersuchte, zufällig die ersten Liposomen und war überrascht, spontan kugelförmige Partikel im Wasser bilden zu sehen [22]. Gerald Weissmann, Besucher in Banghams Labor, der Banghams Ergebnisse kannte, nannte die von Alec beobachtete smektische Mesophase „Liposomen“ statt „Banghosomen“ und erhielt den Nobelpreis [22]. Die wissenschaftliche Geschichte der Liposomenentdeckung ist in Abb. 1 zusammengefasst.

Diagramm der Beobachtungen, die zur Entdeckung der Liposomen führten. Historische und wissenschaftliche Trends der Untersuchung von Lipid- und Fettpartikelverhalten in Wasser und Beobachtungen zur Liposomenentdeckung, mit Bildern der beteiligten Wissenschaftler: Plinius der Ältere [23], Anthonie Van Hook [24], Alec D. Bangham [25], Gerald Weissmann [26], von links nach rechts

Was sind heute liposomale Nanopartikel?

Es besteht intensiver Bestreben, liposomale NPs vernünftig zu definieren und ihre Eigenschaften zu erschließen. Heute werden Liposomen als spontan bildende, kugelförmige Fragmente definiert, die aus einer Lipid-Doppelschichtmembran und einem hydrophilen Kern bestehen.

Liposomen variieren in der Größe von ~10 nm bis 2500 nm (2,5 µm) [15]. Die meisten für Drug Delivery verabreichten Liposomen sind typischerweise 50–450 nm groß. Deutlich größere Liposomen können ebenfalls medizinisch genutzt werden [27]. Hauptbestandteil sind Phospholipide. Phospholipide sind Lipide, die interessanterweise Triglyceriden ähneln. In ihrer Struktur besitzen sie einen hydrophilen Pol und zwei hydrophobe Ketten – sie sind amphiphile Moleküle.

Die Liposomenmembran aus Phospholipiden enthält hauptsächlich Phosphatidylcholin (PC), Sphingomyelin (SM), Phosphatidylserin (PS) und Phosphatidylethanolamin (PE), die amphiphil sind und stark dazu neigen, in Wasser bestimmte Strukturen zu bilden [28]. Der physikalische Grund: Koexistenz hydrophiler Kopfgruppe (Phosphat) und zweier hydrophober Schwänze (Fettsäuren). Die Phosphatgruppe interagiert mit polaren H₂O-Molekülen, hydrophobe Schwänze entweichen vor Wasser und interagieren miteinander [29]. Dabei ordnen sich die unpolaren Ketten gegeneinander an und bilden eine Doppelschicht, wodurch ein lipophiler Raum zwischen ihnen entsteht. Dieser lipophile Teil der Liposomen kann hydrophobe Wirkstoffe speichern. Der hydrophile Abschnitt der Phospholipide richtet sich über molekulare Kräfte (Wasserstoffbrücken, Van-der-Waals-Kräfte etc.) zu Wassermolekülen aus, was einen hydrophilen Bereich im Liposomeninneren formt. Die Struktur des Lecithinmoleküls als natürliches Phospholipid, reich an Eigelb und in Wasser verschiedene Liposomenregionen bildend, ist in Abb. 2 dargestellt.

Schematische Darstellung von Liposomen aus Lecithin. Verschiedene Liposomenbereiche: hydrophiler Kern, hydrophobe Doppelschicht. Struktur des Lecithinmoleküls, sein hydrophiler Pol, hydrophobe Ketten

Die kugelförmige Struktur von Liposomen nach Lösung in Wasser hängt – abhängig von Molekültyp, Wassertemperatur, Molarkonzentration, Anwesenheit anderer Substanzen wie Ionen – von ihrer endgültigen Form ab [30]. Die vorherrschenden physikalisch-chemischen Attribute eines Liposoms sind die Nettoprodukte seiner komponierenden Lipide, besonders Phospholipide und sonstige Moleküle. Diese Eigenschaften umfassen Permeabilität, Oberflächenladungsdichte und Gesamtgröße [31].

Verschiedene Liposomenklassifikationen

Seit ihrer Entdeckung wurden Liposomen stets als essenzieller Teil biologischer, biophysikalischer, biochemischer oder pharmazeutischer Forschungen genutzt.

Heute können Liposomen basierend auf Größe, Anzahl ihrer Phospholipid-Doppelschichten, Syntheseverfahren und Präparationsmechanismus kategorisiert werden. Nach Größe: kleine, mittlere, große. Nach Membranschichten: unilamellare Vesikel (ULVs), oligolamellare Vesikel (OLVs), multilamellare Vesikel (MLVs). ULVs: eine Phospholipid-Doppelschicht, ~50–250 nm; MLVs: viel größer, ~0,5–1,5 µm, mehrere Doppelschichten [32]. Unterschiedliche Synthesemethoden schaffen Grenzen zwischen diesen Gruppen. Anwendungstechnisch haben ULVs große innere hydrophile Umgebung, geeignet für hydrophile Wirkstoffe. Small unilamellar vesicles (SUVs), wie ULVs eine Doppelschicht, aber <100 nm [33, 34]. Morphologisch: OLVs bestehen aus 2–5 Vesikeln, identischer oder unterschiedlicher Größe, alle in einer großen Phospholipid-Doppelschicht eingeschlossen, nicht ineinander. OLVs ~0,1–1 µm [33–35]. Im Gegensatz zu ULVs sind MLVs nicht ideal für hydrophile Wirkstoffabgabe, werdenmostly für hydrophobe Wirkstoffe genutzt [36]. Verschiedene Liposomentypen in Abb. 3 illustriert.

Klassifikation von Liposomen nach verschiedenen Kriterien: a Liposomen in drei Größenkategorien; b Small unilamellar vesicle (SUV) Struktur als Mitglied der ULVs mit bemerkenswert kleiner Größe

Liposomen-Präparationsmethoden und Entwicklung neuer Generationen

Im Gegensatz zu Gold-Nanopartikeln als harte NPs sind Liposomen weiche NPs [37] und durch verschiedene Methoden synthetisierbar. MLVs und ULVs haben distincte Präparationsmechanismen. In den meisten Methoden wird ein spezielles Lösungsmittel (Chloroform, Methanol etc.) verwendet, um Lipide für Liposomenmembranen (gewünschtes Molverhältnis) in einem Rundkolben (RBF) zu lösen. Beispiel: Handschütteln ist Primärverfahren für MLV-Synthese [38]. Bei diesem Lipidfilm-Hydratationsverfahren werden Lipide in organischem Lösungsmittel gelöst. Lösungsmittel wird per Rotationsverdampfer entfernt, Festprodukt lyophilisiert. Schließlich Liposomen durch Hydratation und Extrusion [39]. Weitere Methoden: Sonikation, Reverse-Phase-Evaporation, French-Press-Zelle, Gefriertrocknung, Membranextrusion [38, 40].

Zudem lassen sich Liposomen nach Entdeckung und Entwicklung zeitlich ordnen. Erste Generation: konventionelle/klassische Liposomen. Probleme bei therapeutischer Nutzung in vivo wurden schnell identifiziert. Ein frühes Problem: Limitierung der Wirkstoffeinkapselung – viele Wirkstoffe nicht in erster Generation speicherbar [41]. Mit starkem Wunsch nach Erforschung von Struktur und Eigenschaften (Stabilität, therapeutische Wirksamkeit, klinische Anwendbarkeit) führten diese Herausforderungen zur zweiten Generation durch Modifikation von Konstitutionslipiden, Oberflächenladung, Nettogewicht, Gesamtvolumen [42]. Präzise: Zweite Generation hauptsächlich durch Hinzufügen hydrophiler Polymere zu konventionellen Liposomen zur Verlängerung ihrer Verweildauer in Körperflüssigkeiten für Drug Delivery Systems. Diese lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: unspezifische langzirkulierende Liposomen oder ligand-zielgerichtete langzirkulierende Liposomen [43].

Archaeosomen als neuartige Liposomengeneration bestehen aus archaealen Membranlipiden und synthetischen Phospholipid-Analoga. Im letzten Jahrzehnt umfangreiche Bemühungen zur Untersuchung ihres Potenzials für Wirkstoff- und Impfstoffabgabe. Strukturelle Kerne archaealer Lipide: Di-ether- oder Tetra-ether-Moleküle mit gesättigten Phytanyl-Ketten (20–40 Kohlenstoffe). Diese binden an Etherbindungen der sn-2,3-Kohlenstoffe des Glycerin-Rückgrats in Archaeol oder Caldarchaeol. Wie erwähnt, können diese Partikel immens in Drug Delivery für neoplastische Komplikationen, Allergien, Infektionen und Impfungen eingesetzt werden [44].

Bewertung biomaterialer Charakteristika und physikochemischer Eigenschaften von Liposomen

Wie erwähnt, trotz weitreichender Fortschritte in Medizinwissenschaften stellt Behandlung mancher Erkrankungen, besonders Krebs, weiterhin große Herausforderungen aufgrund ineffizienter Therapeutika und Methoden. Anpassung der injizierten Wirkstoffdosis an Tumore ist kritisch wegen engem therapeutischem Fenster von Antikrebsmitteln. Geringer Abstand zwischen therapeutischer und toxischer Dosis sowie unangemessene Sensitivität und Spezifität schaffen großen Bedarf an fortgeschrittenen Therapieverfahren [42].

Zudem hat Nutzung von Nanomaterialien für Wirkstoffabgabe an Gewebe kürzlich Aufmerksamkeit erregt. Biokompatibilität und Biologische Abbaubarkeit sind zwei essenzielle Biomaterialmerkmale für Nanomaterialien in Delivery Systems. Biokompatibilität nötig, um therapeutische NPs vor Schädigung von Körpergeweben und -systemen zu schützen; Biologische Abbaubarkeit dringend, um NPs in ungiftige Verbindungen abzubauen und einfach aus Organen zu entfernen [15]. Nach Liposomenentdeckung begannen Wissenschaftler, sie als Nanomaterialien für Drug Delivery einzusetzen. Wie erwähnt, besitzen Liposomen beide erforderlichen Biomaterialeigenschaften: Biokompatibilität und Biologische Abbaubarkeit [36]. Liposomale NPs haben weitere Eigenschaften, die sie dafür geeignet machen. Beispiel: Durch spezifische Liposomenstruktur können beide Gruppen hydrophiler (wasserlöslicher) und hydrophober (lipidlöslicher) Wirkstoffe eingekapselt werden. Die Phospholipid-Doppelschichtmembran schützt eingelagerte Wirkstoffe vor Enzymabbau, biologischer Inaktivierung durch immunologische Strukturen, chemischen Veränderungen in vivo. Dies hat zwei wesentliche Vorteile: erstens bleibt Struktur der im Liposom eingeschlossenen Moleküle vor Erreichen des Zielgewebes erhalten, keine Modifikationen; zweitens werden gesunde Nicht-Zielgewebe durch Liposomenmembran vor Exposition gegenüber dem Wirkstoff geschützt, können nicht von diesen beeinflusst werden [42]. Liposomen können auch für genetisches Material (DNA, RNA etc.) und Gentherapie genutzt werden. Hierfür können Liposomen aus kationischen, anionischen, neutralen Lipiden und Phospholipiden oder Mischungen bestehen [45]. Einige Diagnostika und Bildgebungsmittel wie Kohlenstoffpunkte können für Krebsdetektion und -bildgebung in Kombination mit Liposomen oder allein genutzt werden [46]. Obwohl Kohlenstoffpunkte teilweise klinisch zugelassen und in Untersuchungen genutzt werden, bleibt Zytotoxizität hinderlich für breite Anwendung [47]. Allgemeine Struktur liposomaler Wirkstoff-NPs in Abb. 4.

Allgemeine Struktur liposomaler Wirkstoff-NPs besteht aus Phospholipidschichten. Je nach Hydrophilie/Hydrophobie des Wirkstoffs wird geeigneter Liposomentyp bestimmt. Hydrophile Wirkstoffe im zentralen hydrophilen Kern, hydrophobe im lipophilen Bereich. Liposomen auch für Gentransfer nutzbar

Die membrangebildenden Phospholipide in Liposomen sind ungiftige Verbindungen, in breitem Größenspektrum synthetisierbar. Physikochemische Attribute hängen von Konstitution ab. Durch Zugabe bestimmter Verbindungen (Cholesterin, Polyethylenglykol (PEG) etc.) lassen sich Liposomen mit gewünschten Eigenschaften synthetisieren. Zudem ist Liposomenmembran für Riesenmoleküle impermeabel, was Materialretention verbessert [48]. Alle genannten Merkmale qualifizieren Liposomen als geeignete Nanomaterialien für therapeutische Wirkstoffabgabe bei diversen Erkrankungen, besonders Krebs.

Gregory Gregoriadis, Pionier auf diesem Gebiet, schlug Hypothese der Liposomen-Nutzung für Drug Delivery Systems vor: Wirkstoffverbindungen könnten in Liposomen eingekapselt werden [49]. Angemessene biomateriale und physikochemische Eigenschaften wurden berichtet. Beispiel: Untersuchung an Liposomen mit Antitumor-Wirkstoff Cytarabin in Tiermodellen zeigte signifikante Lebensverlängerung bei Mäusen mit L1210-Leukämie [50]. Durch Liposomen kann ausreichende Dosis aktiver Wirkstoffform geschützt an Zielort geliefert werden [42].

Steigerung von Spezifität und Sensitivität liposomaler NPs für therapeutische Anwendungen

Wie erwähnt, ermöglichen diverse Moleküle und Polymere Struktur- und Membranveränderungen an Liposomen, wodurch neue Funktionalitäten hinzugefügt oder Eigenschaften modifiziert werden können [51]. Beide – Verlängerung der Liposomenzirkulation im Blut und Erhöhung ihrer Anreicherung in spezifischem Tumorgewebe/pathologischer Stelle via EPR-Effekt – sind erste wichtige Merkmale, die aufgrund hoher Clearance-Rate von Liposomen berücksichtigt werden müssen. Konjugation von PEG-Molekülen an Liposomenmembranen durch chemische Konjugation wurde sequenziell genutzt, um diese Funktionalität hinzuzufügen [52]. Bedeutung und Rolle von Ethylenglykol-Polymeren zur Halbwertszeitverlängerung von Liposomen, besonders liposomaler therapeutischer NPs in Körperflüssigkeiten wie Blut, wurde vor ~20 Jahren ausgedrückt [53].

Abuchowski und McCoy unternahmen erste Versuche, Liposomen-Halbwertszeit im Blutstrom durch PEG-Konjugation zu verlängern. Ergebnis: allgemein erhöhte Zirkulationszeit und Halbwertszeit im Blutstrom [54]. Wenige Monate später untersuchten andere Forscher Möglichkeit, hohe Clearance-Geschwindigkeit durch mononukleäres Phagozytose-System (MPS) zu reduzieren. Durch Anheften von PEG an Liposomen-Oberflächenmoleküle [53] erwartet man verbesserte Liposomenzirkulation im Blut. Zahlreiche Artikel zu diesem Bereich. Zudem zeigten PEG-beschichtete Liposomen im Gegensatz zu konventionellen dosisunabhängige pharmakodynamische Eigenschaften [55]. Unter verschiedenen Polymeren sind PEG-Moleküle eines, das an Liposomenoberfläche angeheftet werden kann, um Verweildauer in vivo zu verlängern. Andere Polymere ebenfalls nutzbar [56]. Abb. 5 zeigt, wie PEG-Polymermoleküle Liposomen vor Antikörpern schützen und Verweildauer im Blutstrom verlängern.

Konjugation spezifischer Polymere wie Polyethylenglykol (PEG) an Liposomen. a PEGylierte Liposomen mit PEG-Polymerschild. b Konventionelles Liposom, gefangen von Antikörpern und Opsoninen

Wie erwähnt, können auch andere Moleküle zur Zirkulationsverlängerung genutzt werden. Polyoxazolin-Polymere gehören zu Substanzen, die Liposomenmembran modifizieren, um Halbwertszeit zu erhöhen. Woodle et al. waren erste, die Poly[2-ethyl-2-oxazolin] (PEOZ) für Stealth-Liposomen einsetzten. Ergebnisse belegten Reduktion von Elimination und Aufnahme von poly[2-ethyl-2-oxazoylierten] PETOXylierten-Liposomen in Ratten durch hepato-splenische Zellen [57]. Ergebnisse zeigten, dass Konjugation anderer Polymere wie Poly[2-ethyl-2-oxazolin] und Poly[2-methyl-2-oxazolin] (PMOZ) PEG-ähnliche Effekte auf Halbwertszeitverlängerung und Zirkulationsverlängerung in vivo haben. Sie verglichen Biodistribution von PEG-, PEOZ-, PMOZ-konjugierten Liposomen in verschiedenen Organen. Konsequenzen: Biodistribution in Blut und Milz fast identisch, in Leber war PMOZ-Verteilung deutlich niedriger [57].

Pain et al. banden Dextran-Moleküle an ULV-Oberfläche. Ergebnisse: Dextran-konjugierte Liposomen hatten im Vergleich zu konventionellen verlängerte Zirkulation, geringere Aufnahme durch Leber und Milch. Belegt, dass Dextran neben Verweildauerverlängerung auch Stabilität erhöhen und Freisetzungsrate regulieren kann [58].

Drittes wesentliches Merkmal: Sensitivität und Spezifität für genaue Identifikation und spezifische Bindung an Zielzellen. Durch Bindung von Verbindungen wie monoklonalen Antikörpern, Fₐb-Fragmenten, konjugativen Molekülen wie Transferrin und Folsäure lässt sich Liposomenspezifität erhöhen, resultierend in spezifischer Bindung an Tumorzellen [60]. Sensitivitäts- und Spezifitätssteigerung von Wirkstoffnanoträgern, speziell Liposomen, wurde zuvor untersucht. Beispiel: Mohammad J. Akbar et al. untersuchten Peptid-PEG-Lipid-konjugierte Liposomen zur Behandlung von kleinzelligem Lungenkarzinom (SCLC). Ergebnisse: Bindung von Gastrin-Releasing-Peptide-Rezeptor (GRPR)-Antagonist-Peptid an Liposomen erhöhte Spezifität und Anreicherung in GRPR-exprimierenden Zellen. Diese peptidgebundenen Liposomen könnten Lungenkrebszellen behandeln wegen Hochregulation GRPR-exprimierender Gene [61].

Schließlich wurden Medikamente zu PEGylierten Liposomen hinzugefügt wegen ihrer angemessenen Eigenschaften; diese liposomalen Strukturen sind nun für industriell-klinische Nutzung etabliert [62]. Antikörper wurden in frühen Studien zur Erhöhung der Liposomenfähigkeit, Zielzellen zu binden, genutzt [63]. Rezeptor-vermittelte Endozytose durch Liposomen zum Zelleintritt [64]. Verschiedene Methoden zur Antikörper-Liposomen-Bindung entwickelt [65]. Studien an Antikörper-konjugierten Liposomen bewiesen: Toxizität von Antikrebsmedikamenten gegen kultivierte Tumorzellen steigt mit Antikörperkonjugation an Liposomenoberflächen [66]. Werden Antikörper auf PEG-Liposomenoberfläche appliziert, wird Antikörperrest zur Bindung an Zielrezeptoren durch PEG-Polymere verdeckt, besonders bei langen Seitenketten [67]. Daher sollte simultane Nutzung von PEG und Antikörper für Liposomenmedikation und deren Nachteile von Wissenschaftlern bedacht werden.

Vierter wichtiger Faktor: Untersuchung der Freisetzung eingelagerter Wirkstoffe. Anpassung von Liposomen für Wirkstofffreisetzung unter abnormalen Bedingungen geschädigter Gewebe ist entscheidend für klinische Liposomenverabreichung. Nutzung temperatursensitiver Verbindungen, pH oder spezifischer Metaboliten an Liposomenoberfläche, die an Zielzellgewebe und -membran binden, ist Methode für präzise Freisetzung. Dies kann spezifischen Effekt auf Zielzellmembran und Freisetzung des Wirkstoffinhalts bewirken [68].

Freisetzungsgeschwindigkeit eingelagerter Verbindungen in liposomalen NPs ist fünftes substanzielles Kriterium für Dosisanpassung am Zielort. Ein essenzielles Objekt für alle Drug Delivery Systems, inkl. Liposomen, ist Freisetzungsrate und -regulation. Eingekapselte Substanzen in Liposomen sind nicht bioverfügbar, werden erst bei Freisetzung bioverfügbar. Wirkstoffhaltige Liposomen können bioverfügbare Wirkstoffkonzentration in Krebsgeweben erhöhen und Behandlungsqualität sowie therapeutische Wirksamkeit verbessern, sofern Freisetzungsrate aus Liposom angepasst wird [69]. Bewiesen: Änderung Liposom-Doppelschichtinhalt, Ersetzen einiger Phospholipide durch bestimmte Verbindungen, besonders Steroidmoleküle wie Cholesterin, verringert Permeabilität und unbeabsichtigtes Leck eingelagerter Verbindungen [70]. Dieser Vorteil kann zur Anpassung der Freisetzungsrate genutzt werden. Einmal freigesetzt, müssen Wirkstoffe ausreichend in Zelle eindringen und notwendige physiologisch-biochemische Veränderungen bewirken.

Wie erwähnt, können diverse Verbindungen, einschließlich Aptamere, an Liposomen konjugiert werden. Mohammad Mashreghi et al. applizierten Anti-Epithelial-Cell-Adhäsionsmolekül (Anti-EpCAM) als Aptamer zur Funktionalisierung von Caelyx®-Liposomen. Experimente ergaben: Funktionalisierung von Caelyx® mit diesem Aptamer steigerte Meriten dieses liposomalen Medikaments und machte es zu valider Option für Krebstherapie [71]. Abb. 6 zeigt schematisch Struktur verschiedener Liposomentypen für in vitro oder klinisch-wissenschaftliche Zwecke.

Verschiedene Liposomentypen. a Konventionelles Liposom; b Cholesterin-konjugiertes Liposom; c PEGyliertes/Stealth-Liposom; d Ligand-zielgerichtetes Liposom; e Multifunktionales Liposom

Passage von Wirkstoffen durch Lysosomen in Zellen (niedriger pH, viele abbauende Enzyme) ist sechstwichtigster Faktor für praktische Anwendung konjugierter Medikamente an Liposomen. Zum Schutz therapeutischer Wirkstoffe vor unerwünschten Konversionen in extra- und intrazellulärem Raum werden zellpenetrierende Peptide an Liposomenoberfläche angebracht [72].

Pharmakologie liposomaler Medikamente: Pharmakokinetik und Pharmakodynamik

Bewertung pharmakologischer Attribute als essenzieller Teil von Medizin und Pharmazie ist nötig, nicht nur um Vor- und Nachteile von Liposomen als Wirkstoffträger besser zu verstehen, sondern auch um sie in klinischen Studien zu bestätigen und evaluieren. Pharmakologische Eigenschaften liposomaler Medikamente und ihre Wechselwirkungen mit dem Körper können in zwei Aspekten untersucht werden: Pharmakokinetik (Einfluss des Körpers auf therapeutische Verbindungen) und Pharmakodynamik (wie Medikamente auf Körper und zelluläre Wege wirken) [73]. Generell erfordert Nutzung von Liposomen für Drug Delivery in Krebstherapie oder anderen Erkrankungen Erhöhung der Wirksamkeit dieser Wirkstoffe einerseits, Reduktion ihrer Toxizität gegenüber Normalgeweben andererseits. Themen wie geeigneter Verabreichungsweg NP-basierter Medikamente, ihre Zirkulation im Blutstrom und Halbwertszeit, biologische Verteilung in Geweben, zellulärer Stoffwechsel, Elimination, Metabolisierung und Clearance wurden in Pharmakokinetik untersucht [74]. Pharmakokinetik von Liposomen untersucht primär Bioverfügbarkeit liposom-konjugierter Wirkstoffe in verschiedenen Körperflüssigkeiten und Geweben. Tatsächlich werden chemischer Abbau, biologische Ausscheidung, Liposomenaufnahme und -reinigung ebenfalls in Pharmakokinetik betrachtet. Ergebnisse von Studien zu pharmakologischen Vorteilen liposomaler Medikamente (unabhängig von Liposomentyp in DDS) statt freier Wirkstoffe zeigten:

Primär: Liposomen können Wirkstofffreisetzungsprofil zu sustained release modifizieren, wodurch Bedarf an ständiger Injektion reduziert wird. Zweitens: Sie können Präsenz des Wirkstoffs im Blutstrom und Körperflüssigkeiten verlängern, Halbwertszeit erhöhen. Drittens: Potenzial für bessere Biodistribution in Krebsgeweben bei Reduktion von Wirkstoffeinflüssen auf gesunde Gewebe durch begrenzte Partikelgröße zum Überqueren gesunder Kapillarendothelien. Viertens: Reduktion von Wirkstoffmetabolisierung und -inaktivierung im Plasma vor Erreichen Zielgewebe, plus positiver Effekt auf Clearance von Wirkstoffmetaboliten [75, 76].

Dennoch sind Änderungen in Liposomen-Pharmakokinetik nötig, um Löslichkeit, Spezifität, Sensitivität zu erhöhen. Diese Modifikationen ermöglichen Überwindung chemotherapieresistenter Zellen, Steigerung von Wirksamkeit und Halbwertszeit. Zudem sollten Toxizität oder unbeabsichtigte metabolische Produkte durch Metabolisierung verringert werden [77].

Nach Verabreichung liposomaler Medikamente gelangen sie in Körper, zirkulieren im Blutstrom mit spezifischer Halbwertszeit. Größe und konstitutive Zusammensetzung bestimmen Halbwertszeit liposomaler Medikamente. Schnelle Clearance liposomaler Medikamente verkürzt Wirkdauer und therapeutischen Index. Wie erwähnt, kann Anhängen hydrophiler Polymere wie PEG an Liposomen Clearance-Rate verringern und diese Herausforderung lösen [78]. Auch Fluidität und Wirkstofffreisetzungsrate der Liposomenmembran lassen sich durch Cholesterinmoleküle anpassen.

Anwendung von Liposomen für Drug Delivery kann Änderungen in Wirkstoff-Pharmakokinetik bewirken [79]. Fähigkeit von Liposomen, pharmakokinetische Eigenschaften diverser Wirkstoffe zu verändern, ist einer ihrer signifikanten Vorteile in Drug Delivery Systems [80]. Bezüglich Clearance und Elimination liposomaler Strukturen: Nach Verabreichung werden sie von Plasmaproteinen beeinflusst. Beispiel: Nach Injektion liposomaler NPs adsorbieren Opsonine an Liposomenoberfläche. Opsonine sind Plasmaproteine, meist Immunglobuline und Fibronektin [42]. Opsonine auf Liposomenoberfläche führen zu Elimination durch MPS, einen bedeutenden Eliminationsabschnitt diverser Wirkstoffe aus Blut und Körperflüssigkeiten. Sie clearen Liposomen auch durch Anheften von Rezeptoren wie Komplement C3b und Fc an Opsonin-Liposom-Komplexe [81]. Verschiedene Gewebe und Zellen wie Leber-Kupffer-Zellen, Makrophagen in Milz, Knochenmark, Lymphknoten sind an Clearance liposomaler NPs beteiligt [82].

Laut IUPAC-Definition bezeichnet Pharmakodynamik die Untersuchung pharmakologischer Auswirkungen von Verbindungen auf lebende Systeme und biochemisch-physiologische Konsequenzen [83]. Erhöhte Elusion therapeutischer Wirkstoffe bei Einkapselung in Liposomen wurde als pharmakodynamischer Vorteil erkannt [84].

Zudem haben physikochemische Charakteristika signifikanten Einfluss auf Pharmakologie liposomaler Medikamente. Partikelgröße, elektrische Membranladung, Membranlipidzusammensetzung sind Eigenschaften, die Pharmakokinetik und Pharmakodynamik beeinflussen. Erstens: direkter Zusammenhang zwischen Partikelgröße von NPs (inkl. Liposomen) und Clearance-Rate. Größensteigerung erhöht Eliminationsrate durch Immunsystem und MPS-Zellen [85]. Zweitens: Nettoladung der Liposomenmembran resultiert aus elektrischer Ladung der Phospholipide und sonstiger Bestandteile. Anstieg Membranladung korreliert mit erhöhter Clearance-Rate [86]. Membranlipidzusammensetzung und andere Strukturmerkmale (hydrophiler Kernradius) beeinflussen Pharmakokinetik liposomaler Medikamente bemerkenswert [87].

Wichtiger: Hypothese, dass verschiedene Liposomentypen distinkte Wirkstoffkinetik/-dynamik je nach Struktur aufweisen. Freisetzungsrate hängt auch von Anzahl Phospholipid-Doppelschichten und geladenem Wirkstoffgehalt ab. Ebenfalls contingent auf hydrodynamischen Durchmesser, Gesamtvolumen, andere pharmakokinetische Eigenschaften [88].

Verabreichungswege liposomaler Medikamente

Wie viele verschiedene Medikamente können NP-basierte liposomale Arzneimittel über diverse Wege verabreicht werden. Orale Einnahme [89] und verschiedene Injektionsmethoden wie intravenöse (i.v.) Verabreichung und diverse Lokale Injektionen sind gängige Verabreichungswege [90]. Nutzung von Nanopartikeln inkl. Liposomen für Drug Delivery via oraler Verabreichung wurde als effektive Strategie hervorgehoben, da NPs Bioverfügbarkeit erhöhen, Zellinteraktion verbessern, Modifikationen der molekularen Wirkstoffstruktur durch Enzyme und Magensäfte im GI-Trakt verhindern. Zudem können sie Freisetzung therapeutischer Moleküle in Schleimhaut- und Epidermisschicht erhöhen und Wirkstoffe vor unerwünschten Veränderungen beim First-Pass-Effekt schützen [89]. Intravenöse Injektion ist primärer Verabreichungsweg für viele FDA-oder andere Behörden-zugelassene liposomale Medikamente [42]. Subkutane (s.c.), intradermale (i.d.), intraperitoneale (i.p.), intramuskuläre (i.m.) Injektionen, unter Lokale Injektion klassifiziert, werden ebenfalls für liposomale Medikamente genutzt [90–92].

Schicksal liposomaler Medikamente in vivo und ihr Targeting-Wirkmechanismus

Nach Verabreichung liposomaler Medikamente erreichen sie pathologische Läsionen am Zielort über Blutstrom und reichern sich dort an. Wirkmechanismus liposomaler Medikamente auf Tumoren beginnt mit Anreicherung am Zielort, Aufnahme durch Tumorzellen, Freisetzung freier Wirkstoffe [93]. Nach Körpereintritt erreichen liposomale Medikamente Tumore durch verschiedene Targeting-Mechanismen und interagieren auf verschiedene Weise mit Zellen [94]. Generell werden Tumor-Targeting-Mechanismen in passive und aktive Targeting unterteilt. Passives Targeting: Mechanismen, bei denen Liposomen spontan am Tumorort anreichern und mit Zielzellen interagieren ohne spezifischen Liganden [95]. Effekt erhöhter Permeabilität und Retention (EPR) als wichtigster passiver Targeting-Mechanismus vorgeschlagen. Präzise: spontane Anreicherung therapeutischer NPs und liposomaler Medikamente am Tumorort = EPR-Effekt [96]. Phänomen zugeschrieben leckhafter Natur Tumorengefäße im Gegensatz zu normalen Kapillaren, wodurch sie für Moleküle und NPs permeabel sind. Letztlich Anreicherung von Wirkstoffverbindungen in diesen Geweben und EPR-Effekt [97]. Endgültiges Schicksal des Wirkstoffs in intrazellulärer Flüssigkeit und Zytoplasma Tumorzellen hängt von Freisetzungsmechanismus, Nanoträgerbestandteilen, Molekülstruktur ab [98]. In gesundem Gewebe: Kapillaranzahl und -form proportional und normal. In Krebsorganen: Kapillaranzahl erhöht, Struktur deformiert durch Angiogenese. Tumor-Kapillaren zerstört, Endothel-Phalanx-Zellen vermindert. Ergebnis: Plasmaflüssigkeitsvolumen in interzellulärem Raum erhöht. In gesundem Gewebe: Kapillar-Phalanx-Zellen behalten zelluläre Tight Junctions, verhindern NP-, Kleinmolekül- und liposomale-Wirkstoff-Eintritt in interzellulären Raum [99]. EPR-Effekt in Krebs-Kapillaren vs. normale Gefäße in Abb. 7.

Wirkmechanismus wirkstoffhaltiger Liposomen auf Tumorzellen via EPR-Effekt. a Gesundes Gewebe, normale Kapillaren; b Krebsgewebe mit vermehrt-deformierten Gefäßen; c Struktur normaler gesunder Gefäße; d Zerstörungen, deformierte Kapillaren in Tumorgewebe

Andererseits hat aktives Targeting als Targeting-Mechanismus beträchtliche Aufmerksamkeit wegen angemessener Effektivität und hoher Spezifität erregt. Aktives Targeting umfasst diverse Typen, zielt allgemein auf Reduktion Off-Target-Effekte liposomaler NPs auf gesunde Zellen und Nicht-Zielgewebe [95]. Dafür werden Moleküle wie monoklonale Antikörper, kleine Moleküle, Signalpeptide, Vitamine, spezifische Kohlenhydrate, Glykolipide, Aptamere für Liposomen-Oberflächenmodifikation genutzt [100, 101]. Aktives Targeting lässt sich nach diversen Merkmalen in Subtypen unterteilen. Zwei generelle Kategorien:

1. Targeting Tumorzell- und Krebsgewebsrezeptoren: Basiert auf Konjugation spezifischer Moleküle an Liposomenmembran, sodass sie an spezifische oder überexprimierte Rezeptoren auf Krebszellen binden [102]. In Krebszellen verursacht Hochregulation verschiedener Gene erhöhte Expression spezifischer Zelloberflächenrezeptoren als Antwort auf gesteigerte metabolische Anforderungen schneller Zellproliferation [103]. Im aktiven Targeting können spezifische molekulare Modifikationen für gezielte Ansprache überexprimierter Oberflächenrezeptoren wie Folsäurerezeptor (FR), Transferrinrezeptor (TfR), Epidermal Growth Factor Rezeptor (EGFR) angewendet werden [95]. Rolle Folsäurerezeptor: Erhöhung Folsäureaufnahme [104]; Transferrinrezeptor bindet Transferrin (freies Molekül, 80 kDa, im Serum) und bewirkt Endozytose dieses monomeren Glykoproteins [105]. EGFR-Rezeptoren: Tyrosinkinasen-Klasse, beteiligt an Zellprozessen wie Gewebedifferenzierung, -reparatur. Expression in Krebszellen signifikant erhöht durch Beteiligung an Angiogenese, Zellproliferation, Metastase [106].

2. Tumormikroumgebung als Ziel nutzen: Änderungen an Liposomenoberfläche ermöglichen Targeting von Signalpeptiden oder anderen Rezeptoren in Krebszell-Mikroumgebung. Dieser Mechanismus kann Tumorzellwachstum und Metastase hemmen, genotypische/phänotypische Variationen in neovaskulären Endothelzellen verhindern, Medikamentenresistenz kontrollieren [107]. Rezeptoren in Tumormikroumgebung: VEGF, VCAM, Matrix-Metalloproteasen, Integrin [95].

Zelluläre Aufnahme therapeutischer NPs und Effekt liposomaler Medikamente auf Zielzellen: Aktionen und Interaktionen

Wie erwähnt, können Liposomen Tumorzellen passiv oder aktiv ansprechen. Nach Erreichen Krebszellen und Tumorumgebung durch Targeting-Mechanismus kann Liposom therapeutischen Inhalt freisetzen und Wirkung über diverse Mechanismen entfalten. Lipidzusammensetzung, Membran-Oberflächenladung, Krebsart, Zelltyp, Präsenz spezifischer Liganden auf Liposomenmembran beeinflussen Zelle-Liposom-Interaktion [108].

Abb. 8 illustriert verschiedene Liposom-Zielzell-Interaktionstypen. Nach Injektion gelangen wirkstoffhaltige Liposomen über Blutgefäße zu verschiedenen Geweben und erreichen schließlich Zielzellen basierend auf Oberflächenliganden. Diese können über Liganden an Zellrezeptoren binden = spezifische Absorption [42]. Rezeptorfreie Liposomen haften auch über molekulare Anziehung, elektrostatische Kräfte, molekulare Interaktionen = unspezifische Absorption. Nach Liposom-Zell-Bindung wird therapeutischer Wirkstoff in Zytoplasma freigesetzt, Effekte auf verschiedene Weisen. Liposomale Nanoträger können vollständig mit Plasmamembran fusionieren und Wirkstoff freisetzen. Wirkstoffverbindungen können auch aus Liposom in Zelle freigesetzt werden und über Mikropinozytose oder passive Diffusion ohne Fusion in Zelle eintreten. Liposomen können direkt mit Zelle interagieren oder Lipidfragmente mit Zellmembran über proteinvermittelte Prozesse austauschen. Gleichzeitig kann Wirkstoff auf Zelle wirken und therapeutische Effekte entfalten. Einige Liposomen können über Endozytose (spezifisch/unspezifisch) eintreten. Liposomen, die diesen Weg nutzen, haben verschiedene Schicksale: Kombination mit Lysosomen möglich. Dann wirken lysosomale Enzyme auf Wirkstoffstruktur durch pH-Absenkung im Phagolysosom. Letztlich setzen Liposomen Wirkstoff durch Fusion mit Zellmembran oder Endozytose frei, danach entfalten Medikamente therapeutische Wirkung [42, 62]. Alle möglichen Wege für Liposom-Zell-Eintritt und Wirkung in Abb. 8 dargestellt und verglichen.

Bindung von Liposomen an Zielzelle. a Spezifische Anheftung via Ligand-Rezeptor-Interaktion; b unspezifische Absorption durch intramolekulare-elektrostatische Kräfte; c Anheftung und Fusion Liposom-Zellmembran, Wirkstofffreisetzung; d Liposom erreicht Zielzelle, Wirkstofffreisetzung ohne Fusion; e Austausch Lipidfragmente Zellmembran-Liposom proteinvermittelt; f Endozytose Liposom durch Zielzelle; g Lysosomale Verdauung Liposom in Zellzytoplasma

Andererseits können NP-basierte Medikamente Endozytose, Pinozytose, Phagozytose durch Zielzellen durchlaufen. Endozytose: Prozess, bei dem Verbindungen außerhalb Zellraums an Zellmembran herantreten und als Vesikel in Zelle eintreten [109]. Pinozytose (Flüssigkeitsendozytose): kleine Moleküle/Suspensionen werden durch Vesikelbildung via Einstülpung Zellmembran in Zelle eingeführt. Pinozytose tritt in menschlichen Zellen umfangreich zur Fetttröpfchenaufnahme auf. Immunologische Studie: Yuriko Tanaka et al. berichteten, Liposom-gekoppelte Antigene Pinozytose durch Antigen-präsentierende Zellen (APC) [110]. Bewies: Liposomen können Pinozytose-Mechanismen durchlaufen. Phagozytose: Partikel >0,5 µm werden von Immunzellen phagozytiert, kann auch für Liposomen auftreten (besonders MLVs und Liposomen >500 nm). Beispiel: Jitendra N. Verma et al. bestätigten Phagozytose an Liposomen durch Studie zur Phagozytose von Liposomen mit Malaria-Antigenen durch Makrophagen [111].

Kaposi-Sarkom, ein Beispiel erfolgreicher liposomaler Medikamentenanwendung

Kaposi-Sarkom ist progressiver multifokaler anti-proliferativer Krebs, primär als Endometrium-Sarkom bekannt. Häufiger bei HIV-Patienten mit geschwächtem Immunsystem. Häufig in Hautgewebe, kann andere Gewebe involvieren → allgemein als Haut-Schleimhaut-Sarkom bezeichnet [112]. Zur Behandlung können modifizierte langzirkulierende Liposomen hilfreich sein. Liposomen passiv targetieren Tumorzellen. EPR-Effekt und spezifische Bindung erhöhen therapeutische Wirkstoffkonzentration in Krebsgeweben 5- bis 11-fach höher als normale Haut [113]. Doxorubicin wird für diese Erkrankung eingesetzt. Entsprechend verhindert Einkapselung von Doxorubicin in Liposomen (PEGyliert zur Halbwertszeitverlängerung) Exposition normaler Gewebe gegenüber Wirkstoff. Reduziert Wirkstoffaufnahme durch doxoruicin-empfindliche gesunde Gewebe wie Herz [114].

Zusätzlich ist liposomale Doxorubicin-Form Doxil, Anthrazyklin-Wirkstoff, US-FDA-zugelassen für klinische Verabreichung. Behandelt AIDS-assoziiertes Kaposi-Sarkom und Multiples Myelom [115]. Doxil hat bessere therapeutische Wirksamkeit und geringere Toxizität als freies Doxorubicin, zugeschrieben indirekter Tumor-Targeting-Fähigkeit. Auch passives Targeting durch Leckage Tumor-Gefäße und EPR-Effekt [116]. Doxil unilamellare Liposomen <100 nm, für diverse Krebsarten genutzt [42]. Analysen bewiesen: Freies Doxorubicin Konzentration am Zielgewebe niedriger als Doxil [117]. Ogawara et al. untersuchten Effekt von Doxil (Doxorubicin an PEG-Liposome gebunden) auf Krebszellen in männlichen Mäusen: PEG-liposomales Doxorubicin/Doxil1 wirksam gegen sowohl doxoruicin-resistente als -sensitive C26-Zellgruppen [118]. Dies unterstreicht Signifikanz liposomaler NPs: Sie können Resistenz von Krebszellen gegen gängige Chemotherapeutika bei niedrigen Kosten ohne zeitaufwendige Forschung neuer klinischer Therapeutika überwinden [119]. Anwendung von Nanopartikeln wie Liposomen zur Doxorubicin-Abgabe an Tumorgewebe weitreichend untersucht. Entkapselung von ABCB1-Substrat Doxorubicin in Liposomen kann Wirkstoffaufnahme erhöhen und intrazelluläre Verteilung in Krebszellen verbessern, besonders ABCB1-exprimierende [120]. Einfache Doxil-Struktur in Abb. 9.

Schematische Struktur von Doxil. Doxorubicin-Wirkstoffmoleküle im hydrophilen Hohlraum unilamellarer PEGylierter Liposomen eingekapselt

Zudem können liposomale Nanomaterialien für Infektionskrankheiten genutzt werden. Systemische Pilzinfektion – herausfordernd, meist mit Amphotericin B behandelt, hochtoxisch für Nierenzellen. Liposom-entrapped Amphotericin B reduziert Toxizität vs. freie Form [48]. Unilamellare Liposomen für Einkapselung genutzt. Bewiesen: Liposomales Amphotericin B effektiver als freie Form [121]. Basierend auf Formulierung alterieren diese Liposomen Biodistribution von Amphotericin B wie Antikrebsmedikamente, ordnen Wirkmechanismus, erhöhen effektive Dosiskonzentration am Zielgewebe [122]. AmbiSome, liposomale Amphotericin-B-Form, zugelassen für öffentliche Verabreichung. Andere zugelassene liposomale Medikamente, von Antimykotika bis Krebswirkstoffen, in Tab. 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Zugelassene liposomale Medikamente

Obwohl Anwendung liposomaler NPs zur Krebsbehandlung als valide Lösung für Drug Delivery und Tumorzelleinfluss angepriesen wird, bleibt Drug Delivery zu Krebsgeweben im zentralen Nervensystem (ZNS) signifikante Herausforderung. Drug Delivery zu ZNS-Zellen يواجه Turbulenzen durch Blut-Hirn-Schranke (BHS). Dieses Problem kann teilweise durch neue Methoden und lipidbasierte Verbindungen gelöst werden [136].

Liposomale Nanopartikel in der Untersuchungsphase für therapeutische Zwecke

Liposomales siRNA

RNA ist genetisches Molekül mit diversen Funktionen: Translation, Transkription. Entdeckung small-interfering RNA (siRNA) signifikanter Fortschritt in Biologie letztes Jahrzehnt [137]. Synthetische siRNAs können Onkogene und deren mRNAs targeten. Zudem siRNAs für Gene, die Karzinogenese, Proliferation, Metastase von Tumorzellen oder Resistenz gegen Standard-Chemo-/Strahlentherapie fördern [138]. Modernes Krebstherapieverfahren. NPs für siRNA-Delivery benötigen Eigenschaften: Biologische Abbaubarkeit, gute Biodistribution, niedrige Toxizität etc. Liposomen bieten all dies → vielversprechender Drug Delivery System Kandidat [28]. SiRNAs an neutral-lipid-basierte NPs gebunden sind gut isoliert von diesen Liposomen. Beeinflussen EphA2, FAK, Neuropilin-2, IL-8, TMRRS/ERG, EF2K, Bcl-2-Pfade. Nach diesem Mechanismus beobachtet: geeigneter Antitumor-Effekt gegen Ovarial-, Kolon-, Brustkrebszellen etc. [139, 140]. Zahlreiche Studien zu siRNA-Delivery via Liposomen; meist kationisches Lipid Dioleoyl-3-trimethylammonium propane (DOTAP) in Liposomenstruktur weit genutzt. DOTAPs hohe positive Ladung kann zytotoxisch sein: stimuliert zelluläre Hämolyse, reduziert Biokompatibilität. Herausforderung für DOTAP-Anwendung in Liposomen für siRNA-Delivery [141].

Liposomale Curcumin-Nanopartikel

Curcumin-konjugierte Liposomen sind weiteres Beispiel liposomaler NP-Nutzung. Curcumin: natürliches polyphenolisches, hydrophiles Kompound, reich an Curcuma longa, Hauptquelle Kurkumaextrakt. Antikrebs-Effekt gut belegt gegen viele Tumorzellen: Brustkrebs, Leberkarzinom, Prostatakrebs etc. [142]. Primärer Wirkmechanismus gegen Krebszellen: Interferenz mit Translation von Proteinen wie Bcl-xl, Regulation Apoptose durch Einfluss auf deren Prozess, Kontrolle ROS- und Cytochrom-Freisetzung, Regulation molekularer Faktoren wie Cyclin (Zellzyklus). Curcumin kann nukleare und mitochondriale DNA-Struktur von Leberkrebszellen schädigen, Funktion disruptieren [143]. Im Vergleich zu freiem Curcumin verbessert liposomales Curcumin Pharmakokinetik und Pharmakodynamik, reduziert Dosis für Tumor-Targeting. Matheus Andrade Chave et al. erforschten Curcumin-haltige Liposomen durch Einfügen in MLV-Liposome [144]. Synthese liposomalen Curcumins und Curcumin-Struktur in Abb. 10.

Übersicht Curcumin-Pulver und liposomales Curcumin-Synthese. Chemische Reaktionen für liposomales Curcumin-Produktion und Curcumin-Molekülstruktur in verschiedenen Formen einfach demonstriert

Zusätzlich können Liposomen für therapeutische Forschungsanwendungen durch diverse Methoden synthetisiert werden. Beispiel: Qiao Wang et al. nutzten Ultraschall und Lipidfilm-Hydratation für Daidzein-langzirkulierende Liposomen (DLCL) [145]. Xiaoyuan Ding et al. verwendeten Film-Hydratation für Aptamer- und Au-NPs (Apt-Au)-modifizierte Morin-pH-sensible Liposomen. Ergebnisse: hohe Biokompatibilität, unbedeutende Toxizität → valide Option für selektives Tumor-Targeting [146].

Andere liposomale NPs in der Untersuchungsphase

Mehrere liposomale Medikamente in Untersuchungsphase synthetisiert und genutzt. Beispiel: CPX-1 durch Einkapselung Antitumor-Wirkstoffe Irinotecan und Floxuridin (1:1 Molverhältnis) in Liposomen, designed für fortgeschrittenes kolorektales Karzinom. Phase-II-Forschungsstatus [128]. Lipovaxin-MM: weiteres bedeutendes liposomales NP in Phase I, hergestellt durch Einbringen Melanom-Antigene in Liposomen, hauptsächlich für Immuntherapie malignen Melanoms. Ebenfalls in Untersuchung [128].

Fazit

Als kugelförmige Strukturen in Flüssigkeiten können Liposomen als vielversprechende Option für Krebstherapie und Drug Delivery sowie Bildgebung und Krankheitsmanagement angewendet werden. Durch Review von Liposomen-Vor- und Nachteilen können Wissenschaftler diese in zukünftigen Forschungsarbeiten verbessern.

Einige Chancen und Herausforderungen in Liposomen-Nutzung: Vorteil: morphologische Ähnlichkeit zu Zellen (Phospholipide), Wirksamkeitssteigerung von Wirkstoffen. Nachteil: liposomale Phospholipide können Hydrolyse oder Oxidation unterliegen → problematisch. Weitere Vorteile: erhöhte Stabilität eingekapselter Wirkstoffe, reduzierter Kontakt sensibler Gewebe mit therapeutischen Molekülen, verringerte Wirkstofftoxizität, verbesserte pharmakokinetische/pharmakodynamische Eigenschaften, Fähigkeit Freisetzungsrate zu regulieren, Potenzial Struktur für gewünschte chemische Modifikation anzunehmen. Demgegenüber Herausforderungen: Leckage oder unbeabsichtigte Einkapselung, niedrige Liposomen-Bioaktivität, verringerte Löslichkeit, schnelle Clearance konventioneller Liposomen aus Blut durch retikuloendotheliales System (RES), Probleme durch kontinuierliche i.v.-Verabreichung oder lokale Injektion.

Neben Vor-/Nachteilen sollte richtiger Targeting-Wirkmechanismus berücksichtigt werden. Passives Targeting als vorteilhaft wegen reichlicher klinischer Evidenz und Erfahrung. Erhöht Zirkulationszeit liposomaler Medikamente. Problem: unspezifische Wirkstoffabgabe, physiologische Barrieren. Aktives Targeting Vorteile: erhöhte Spezifität, Überwindung chemotherapieresistenter Tumorzellen, reduzierte Off-Target-Effekte. Schwierigkeit: Identifikation genauer Bindungsstellen auf Krebszellen, mangelnde Evidenz früherer Nutzung → Auf und Ab in Anwendung.

Liposomen sind vernünftige Kandidaten zur Steigerung Wirksamkeit aktueller Antikrebsmittel und Verhinderung Wirkstoffresistenz. Zukünftige Forschung sollte sich auf weitere Untersuchung liposomaler Struktureigenschaften fokussieren. Zur Erforschung Wirkstoffeinkapselung in therapeutischen NPs inkl. Liposomen sind detailliertere Untersuchungen erforderlich.

Abkürzungen

WHO:

Weltgesundheitsorganisation

VNPs:

Virale Nanopartikel

NPs:

Nanopartikel

US FDA:

United States Food and Drug Administration

DDSs:

Drug Delivery Systems

PC:

Phosphatidylcholin

SM:

Sphingomyelin

PS:

Phosphatidylserin

PE:

Phosphatidylethanolamin

ULVs:

Unilamellare Vesikel

OLVs:

Oligolamellare Vesikel

MLVs:

Multilamellare Vesikel

SUVs:

Small unilamellare Vesikel

RBF:

Rundkolben

LNs:

Liposomale Nanopartikel

MPS:

Mononukleäres Phagozytose-System

PEG:

Polyethylenglykol

PEOZ:

Poly[2-ethyl-2-oxazolin]

PETOXyliert:

Poly[2-ethyl-2-oxazoyliert]

PMOZ:

Poly[2-methyloxazolin]

HDL:

High-density lipoprotein

LDL:

Low-density lipoprotein

SCLC:

Kleinzelliges Lungenkarzinom

GRPR:

Gastrin-Releasing-Peptid-Rezeptor

Anti-EpCAM:

Anti-Epithelial-Cell-Adhäsionsmolekül

IUPAC:

International Union of Pure and Applied Chemistry

I.V.:

Intravenös

S.C.:

Subkutan

I.D.:

Intradermal

I.P.:

Intraperitoneal

I.M.:

Intramuskulär

EPR:

Enhanced permeability and retention

FR:

Folsäurerezeptor

TfR:

Transferrinrezeptor

EGFR:

Epidermal Growth Factor Rezeptor

VEGF:

Vascular endothelial growth factor

VCAM:

Vascular cell adhesion protein

APC:

Antigen-präsentierende Zellen

ABCB1:

ATP-binding cassette transporter superfamily B member 1

HSPC:

Hydro soy phosphatidylcholine

DSPG:

1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-PG

DOPC:

Dioleoylphosphatidylcholin

DPPG:

1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol

DSPC:

1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholin

AML:

Akute myeloische Leukämie

ALL:

Akute lymphatische Leukämie

DSPE:

1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamin

DOPE:

Dioleoylphosphatidylethanolamin

EPG:

Esterified propoxylated glycerols

DMPC:

1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholin

DOPS:

1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serin

POPC:

1-Palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholin

DMPG:

1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol

MPEG:

Methoxypolyethylenglykole

CNS:

Zentralnervensystem

BBB:

Blut-Hirn-Schranke

siRNA:

Small-interfering RNA

EphA2:

Ephrin type-A receptor 2

FAK:

Focal adhesion kinase

IL-8:

Interleukin-8

TMRRS/ERG:

TMRRS/ERG TROJAN Mobile Remote Receiving System/erythroblast transformation-specific

EF2K:

Elongation factor 2 kinase

DOTAP:

Dioleoyl-3-trimethylammonium propane

ROS:

Reaktive Sauerstoffspezies

DLDC:

Daidzein long-circulating liposomes

RES:

Reticuloendothelial system