Interleukin-10-Loaded Nano- and Microparticles for the Local Treatment of the Intestinal Mucosa and the Deep Lung

Abstract

The anti-inflammatory cytokine Interleukin-10 (IL-10) has been proposed as drug for the treatment of acute and chronic inflammatory diseases, such as inflammatory bowel disease (IBD) or the acute respiratory distress syndrome (ARDS). The local delivery of IL-10 is preferable to systemic application, as fewer side effects are expected. Therefore, the present study deals with the development of drug delivery systems for the local delivery of IL-10 to the intestinal mucosa and the deep lung. IL-10-loaded poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA) nanoparticles were developed by a double emulsion method, with bovine serum albumin (BSA) as stabiliser for the IL-10. These particles showed slow IL-10 release and poor bioactivity. IL-10-loaded microparticles (MP) were prepared by spray drying. These particles showed high remaining IL-10 bioactivity and promising long-term stability. For local targeting of the intestinal mucosa, the particles were encapsulated in Eudragit L 100-55 or S 100 microspheres. However, exposure to gastric conditions resulted in almost complete denaturation of the IL-10. Using leucine for the preparation of the spray-dried MP, dry powder particles with excellent aerodynamic properties were produced. Applied to an inflamed human alveolar co-culture model, the dry powder significantly reduced the inflammatory markers IL-6 and TNF as compared to blank particles, indicating the potential for a clinical development of IL-10-based dry-powder formulations for inhalation.

Das antiinflammatorische Zytokin Interleukin-10 (IL-10) gilt als vielversprechender Wirkstoff zur Behandlung entzündlicher Erkrankungen wie chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen und dem akuten Atemnotsyndrom (ARDS). Die lokale Anwendung von IL-10 ist der systemischen vorzuziehen, da eine höhere Effektivität und geringere Nebenwirkungen zu erwarten sind. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung von Drug Delivery-Systemen zur lokalen Freisetzung von IL-10 an der Darmschleimhaut und in der tiefen Lunge. Mittels einer Doppelemulsionsmethode wurden IL-10-beladene Nanopartikel (NP) aus Polylactid-co-Glycolid (PLGA) entwickelt. Die NP wiesen jedoch nur eine geringe in vitro-Freisetzung von IL-10 auf, das außerdem nicht mehr bioaktiv war. Mittels Sprühtrocknung wurden IL-10-beladene Mikropartikel (MP) hergestellt, die eine hohe IL-10-Bioaktivität und gute Langzeitstabilität aufwiesen. Um die Magensaftresistenz zu erhöhen, wurden die MP in Mikrosphären aus Eudragit L 100-55 oder S 100 verkapselt. Jedoch verursachte die Inkubation in sauren Medien trotzdem eine fast vollständige Denaturierung des IL-10. Die MP wurden mit Leucin modifiziert, so dass ein Trockenpulver mit sehr guten aerodynamischen Eigenschaften erzielt wurde. Die Applikation in einem entzündeten alveolaren Kokulturmodell reduzierte die inflammatorischen Marker IL-6 und TNF signifikant und zeigt das Potential für die klinische Entwicklung von IL-10-beladenen Trockenpulvern zur Inhalation.