Lipid-based liquid crystals as drug delivery vehicles for antimicrobial peptides
Doktorsavhandling, 2018

The development of antimicrobial resistance is a great challenge within health sectors worldwide. Thus, demand for new, efficient treatments is urgent in order to treat various bacterial infections. Antimicrobial peptides (AMPs) are a group of antibiotics that have gained more and more attraction in the past decade. AMPs suffer from relatively low stability due to proteolytic and chemical degradation. As a consequence, carrier systems to protect the AMPs are highly needed to achieve efficient treatments in the clinic.

In this thesis, lipid-based liquid crystalline (LC) structures have been examined as carriers for AMPs. LC structures of polar lipids have potential to be used as carriers and delivery systems in various pharmaceutical applications. This is due to their ability to solubilize and encapsulate hydrophilic, hydrophobic and amphiphilic substances. An important feature of these LC systems is that they can coexist with an excess of water, which enables fragmentation of the highly viscous gels into LC nanoparticles (LCNPs), i.e. cubosomes and hexosomes, in the presence of a suitable stabilizer. Peptides and proteins can be incorporated into the lipid self-assembled structures, thereby protecting them from chemical and proteolytic degradation. Cubosomes and hexosomes were investigated as drug delivery vehicles for the three AMPs: i) AP114, an improved plectasin derivative originating from the fungus Pseudoplectania nigrella, ii) DPK-060, derived from the endogenous human protein kininogen and iii) LL-37, a human AMP found in the cathelicidin family. Phase behavior, different preparation methodologies of the LCNPs, antimicrobial effect and proteolytic protection of the AMPs were studied. Moreover, the interaction between AMP-loaded particles with bacteria and bacterial mimicking membranes was investigated. Formulations aimed for pulmonary and topical administration were also evaluated. Results showed that cubic LC phases were most sensitive to the incorporation of AMPs. Depending on the nature of the AMP, different changes in the curvature of the systems were observed. Cubosomes loaded with AMPs exhibited good antimicrobial activity and were found to protect the proteolytic sensitive LL-37 from enzymatic degradation. Data strongly suggested that the release of AMP from the particles cannot solely be explained by the antimicrobial effect. Cubosomes loaded with LL-37 are thought to adsorb onto bacterial membranes, resulting in cell death.

infection

phase behavior

antimicrobial effect

Liquid crystals

hexosome

antimicrobial resistance

AMP

antimicrobial peptide

pulmonary delivery

topical delivery

glycerol monooleate

bacterial membrane

cubosome

liquid crystalline nanoparticles

membrane interaction

proteolysis

KB, Kemigården 4
Opponent: Prof. Clive Prestidge, University of South Australia, Australia

Författare

Lukas Boge

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi

Lipid-Based Liquid Crystals As Carriers for Antimicrobial Peptides: Phase Behavior and Antimicrobial Effect

Langmuir,; Vol. 32(2016)p. 4217-4228

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Cubosomes post-loaded with antimicrobial peptides: Characterization, bactericidal effect and proteolytic stability

International Journal of Pharmaceutics,; Vol. 526(2017)p. 400-412

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The interaction of antimicrobial peptide LL-37 loaded cubosomes with model and bacterial membranes, Lukas Boge, Kathryn Browning, Randi Nordström, Mario Campana, Josefin Seth Caous, Maja Hellsing, Lovisa Ringstad and Martin Andersson

Cubosomes for topical delivery of the antimicrobial peptide LL-37, Lukas Boge, Karin Hallstensson, Lovisa Ringstad, Jenny Johansson, Therese Andersson, Mina Davoudi, Per Tomas Larsson, Margit Mahlapuu, Joakim Håkansson and Martin Andersson

Många av oss har någon gång blivit tvungna att ta en penicillinkur mot halsfluss eller kanske i samband med någon annan infektion. Oftast har behandlingen varit till stor nytta, och infektioner som förr i tiden kunde leda till döden har varit lätta att behandla med hjälp av antibiotika. I takt med att vi exponerat bakterier för icke-dödliga doser antibiotika, avsiktligt eller ej, så har de under årens lopp utvecklat en stark motståndskraft (resistens) mot dessa läkemedelsmolekyler.  Antibiotikaresistens är idag en stor utmaning inom hälso- och sjukvården runt om i världen och i och med att problemet växer har det fått mycket uppmärksamhet, både i media och bland forskare. Sjukdomsalstrande bakterier har utvecklat resistens mot i princip samtliga kommersiella antibiotikum som finns att tillgå. Behovet av att framställa nya och effektiva läkemedel är således stort och kommer med största sannolikhet att öka i framtiden. Ett skräckscenario, som i dagsläget inte helt och hållet kan uteslutas, är att vi inom en snar framtid noggrant måste överväga nyttan av mindre, eller icke-akuta kirurgiska ingrepp, mot de komplikationer som en bakterieinfektion skulle kunna medföra. Men det finns gott hopp om nya effektiva behandlingsmetoder och det forskas intensivt på just detta runt om i världen. En sorts ny antibiotika som har fått mer och mer uppmärksamhet på senare tid är så kallade antimikrobiella peptider. Dessa molekyler finns i både människor och djur som en del av det naturliga försvaret mot inkräktande bakterier, virus och svampar sedan miljontals år. Forskare har lyckats isolera, modifiera och framställa helt syntetiska antimikrobiella peptider som skulle kunna utnyttjas för behandling av infektioner orsakade av bakterier. Antimikrobiella peptider attackerar bakteriens skyddande hölje (bakteriemembranet), på liknande sätt som diskmedel löser upp fett och smuts, vilket gör det mycket svårt för dem att utveckla hög resistens. Tyvärr har dessa molekylär även vissa bekymmersamma egenskaper. Till exempel så bryts de ofta snabbt ner av olika enzymer som finns i kroppen eller i direkt anslutning till infekterande områden. I vissa fall kan de brytas ner i enbart närvaro av vatten.

Denna avhandling handlar om att försöka kapsla in och skydda olika antimikrobiella peptider i mycket små partiklar (<0.5 µm) tillverkade av lipider (”fetter”). Lipiderna som använts består av två kemiskt mycket olika segment; ett hydrofilt (”vattenlösligt”) och ett hydrofobt (”fettlösligt”). Detta medför att lipidmolekylerna spontant ordnar sig (själv-associerar) i mycket komplexa en-, två- och tredimensionella nanostrukturer när de blandas med vatten. De nanostrukturer som då bildas har visat sig mycket användbara för inkapsling och levererans av olika läkemedel, däribland antimikrobiella peptider. I detta arbeta har de peptidladdade partiklarnas bakteriedödande förmåga undersökts grundligt i olika modeller, och hur de tar död på bakterierna har också utretts. Det visade sig att beroende på vilken antimikrobiell peptid och vilken nanostruktur på partiklarna som användes, påverkades deras bakteriedödande förmåga drastiskt. Partiklar av kubisk nanostruktur var mest förddelaktiga att använda sig av. De kunde både skydda en antimikrobiell peptid som är känslig mot enzymatisk nedbrytning och samtidigt uppvisa bra bakteriedödande förmåga.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Farmaceutisk vetenskap

Fysikalisk kemi

Annan kemi

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

ISBN

978-91-7597-809-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4490

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KB, Kemigården 4

Opponent: Prof. Clive Prestidge, University of South Australia, Australia

Mer information

Senast uppdaterat

2018-10-29