Stability of therapeutic proteins in hydrogel drug delivery systems
Protein pharmaceuticals have gained prominence as vital drug products, but their development is complex due to stability issues during the manufacturing process, potentially compromising product efficacy and safety. This thesis aimed to develop a protein delivery system and optimize it to withstand protein instability during the manufacturing process and provide storage stability for the encapsulated protein. Hydrogel microparticles prepared through an aqueous two-phase system (ATPS) were chosen as a promising protein delivery platform due to their hydrophilic nature and ability to protect proteins. Visible light photocrosslinking was used to fabricate these hydrogel microparticles, preventing potential photodegradation that could compromise protein safety and efficacy. The test protein 3β/17β-Hydroxysteroid dehydrogenase (17β-HSD) was used to study and optimize stability during encapsulation. The first chapter focuses on developing and optimizing bulk hydrogels as the basis for hydrogel microparticles. Hydroxyethyl starch (HES) was used as a biocompatible polymer, and a visible light photoinitiator system was employed for crosslinking. The optimized hydrogel formulation demonstrated excellent mechanical properties, biocompatibility, and biodegradability. However, further optimization could enhance protein release for sustained delivery. In the second chapter, hydrogel microparticles were synthesized through an ATPS based on the optimized hydrogel formulation. The particle size was adjusted to facilitate uptake by synovial macrophages for intra-articular injection in treating rheumatoid arthritis. The formulation with the optimal particle size showed favorable physicochemical properties, biocompatibility, and controlled protein release. Adjusting crosslinking density could further control the release kinetics. The third chapter investigated and optimized each formulation step's influence on the stability of the test protein 17β-HSD. The appropriate buffer and visible light photocrosslinking were identified to preserve protein activity. Incorporating HES-MA and trehalose into the final formulation significantly enhanced protein stability which was reflected in the activity of the released protein. In conclusion, hydrogel microparticles prepared via visible light photocrosslinking in ATPS showed potential as a protein delivery platform with preserved stability. Further research can focus on optimizing crosslinking density and exploring other applications for this platform. This work contributes valuable insights for developing commercially viable protein products with enhanced stability and safety.
Protein-Arzneimittel haben als lebenswichtige Arzneimittel an Bedeutung gewonnen, aber ihre Entwicklung ist aufgrund von Stabilitätsproblemen während des Herstellungsprozesses, die die Wirksamkeit und Sicherheit des Produkts beeinträchtigen können, komplex. Ziel dieser Arbeit war es, ein Proteinverabreichungssystem zu entwickeln und es so zu optimieren, dass es der Instabilität des Proteins während des Herstellungsprozesses standhält und eine Lagerungsbeständigkeit für das eingekapselte Protein gewährleistet. Hydrogel-Mikropartikel, die durch ein wässriges Zweiphasensystem (ATPS) hergestellt wurden, wurden aufgrund ihrer hydrophilen Natur und ihrer Fähigkeit, Proteine zu schützen, als vielversprechende Plattform für die Proteinabgabe ausgewählt. Zur Herstellung dieser Hydrogel-Mikropartikel wurde eine Photovernetzung mit sichtbarem Licht eingesetzt, um eine potenziellen Photodegradation zu verhindern, die die Sicherheit und Wirksamkeit der Proteine beeinträchtigen könnte. Das Testprotein 3β/17β-Hydroxysteroiddehydrogenase (17β-HSD) wurde zur Untersuchung und Optimierung der Stabilität während der Verkapselung verwendet. Das erste Kapitel konzentriert sich auf die Entwicklung und Optimierung von Bulk-Hydrogelen als Grundlage für Hydrogel-Mikropartikel. Hydroxyethylstärke (HES) wurde als biokompatibles Polymer verwendet, und für die Vernetzung wurde ein Photoinitiatorsystem, welches durch sichtbares Licht aktiviert wird, eingesetzt. Die optimierte Hydrogelformulierung zeigte hervorragende mechanische Eigenschaften, Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit. Eine weitere Optimierung könnte jedoch die Proteinfreisetzung für eine anhaltende Verabreichung verbessern. Im zweiten Kapitel wurden Hydrogel-Mikropartikel durch ein ATPS auf der Grundlage der optimierten Hydrogelformulierung synthetisiert. Die Partikelgröße wurde angepasst, um die Aufnahme durch synoviale Makrophagen für die intraartikuläre Injektion zur Behandlung der rheumatoiden Arthritis zu erleichtern. Die Formulierung mit der optimalen Partikelgröße zeigte günstige physikochemische Eigenschaften, Biokompatibilität und eine kontrollierte Proteinfreisetzung. Die Anpassung der Vernetzungsdichte könnte die Freisetzungskinetik weiter kontrollieren. Im dritten Kapitel wurde der Einfluss der einzelnen Formulierungsschritte auf die Stabilität des Testproteins 17β-HSD untersucht und optimiert. Der geeignete Puffer und die Photovernetzung mit sichtbarem Licht wurden ermittelt, um die Proteinaktivität aufrechtzuerhalten. Die Einfügung von HES-MA und Trehalose in die endgültige Formulierung erhöhte die Proteinstabilität erheblich, was sich in der Aktivität des freigesetzten Proteins widerspiegelte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Hydrogel-Mikropartikel, die durch die Vernetzung mit sichtbarem Licht in ATPS hergestellt werden, als Plattform für die Proteinabgabe bei gleichbleibender Stabilität geeignet sind. Weitere Forschungsarbeiten können sich auf die Optimierung der Vernetzungsdichte und die Erforschung anderer Anwendungen für diese Plattform konzentrieren. Diese Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung kommerziell nutzbarer Proteinprodukte mit verbesserter Stabilität und Sicherheit.
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