A nanomedicina alapjai Fogalmak, jelentőség, mutatók, gyógyszerszállító nano-rendszerek Szebeni János M.D., Ph.D., D.Sc. Nanomedicina Kutatási és Oktatási Központ NANOMEDICINA A folyadék és elektrolitháztartás szabályozásának élet és kórélettana - Keringés és vérnyomás szabályozás c. PhD program kurzus 3. Előadás 2011/2012 tanév I. Félév Október 4, 2011

A Nanomedicina Definíciói Nanotechnológia alkalmazása az elméleti és gyakorlati orvostudományban diagnózisban terápiában prevencióban betegség kontrollban orvosi kutatásban Életfolyamatok és betegségek vizsgálata és/vagy gyógyítása a nano-tartományban (10-9- 10-6 m) (a sejten belüli történések, életfolyamatok dimenziója)

Nanotechnológia/Nanomedicina Jelene és Jövője Konszolidációs fázis, az alapok lerakása Közeljövő 2015 & 2035 a gazdasági fejlődés fő hajtóereje Számos betegség megoldásában jelentős előrelépés Az élet meghosszabitása Távoljövő 2035-2050 technológiai fejlődés exponenciális felgyorsulása 2050 -> Mesterséges intelligencia, nanobótok, ember robot kimérák kora

Dimenzió ugrások a nano világba poratka pollen vvs élesztősejt Emberi haj E Coli Staphylococcus Ebola virus Rhynovirus Doxil Lymphocyte HIV Lymphocyte 2011.04.11. Nanomedicinális termékfejlesztés

Nanomedicines: giga-complexity at the nano-level Traditional drugs Biologicals Nanomedicines Drugs from high-MW natural pepties, proteins or nucleic acids with increased therapeutic efficacy via receptor targeting Drugs built from complex molecular assemblies that inrease therapeutic efficacy via organ and cell targeting & improved PK They may or may not contain biologicals Simple organic or inorganic, low-MW compounds that reach disease sites and help

A Nanoanyagok Egészségügyi Alkalmazásának Lehetőségei

Nanomedicina: Tudományos és Üzleti Térnyerés Google hit: 315 000 Medline: 913 Review: 319 Liposomes: 33681 Nanomedicinális termékek Világpiac 2003: 535,000 M EUR Évi növekedés: 7-9 % Irányitott nanogyógyszerek 11% Doxil: cc. 300 M USD/year Ambisome: cc. 100M USD 7

A Nanomedicina Helyzete Európában Diagnosztikumok In vivo képalkotó eljárások In vitro diagnosztikumok Irányitott gyógyszerterápia Nanogyógyszerek Nanogyógyeszközök Regenerativ medicina „smart” bio-anyagok Sejt-terápiás szerek

Európai 7-es keretprogram támogatott témái Téma Célok € billion % 1. Health DNA sequencing, tissue, cell and gene therapies, as well as biotech medicines 6.1 18 2. Food, agriculture, fisheries and biotechnology EuropeanKnowledge Based Bio- Economy (KBBE) (food, feed, forest, fisheries, agriculture, aquaculture, chemistry 1.9 6 3. Information and Communication Bioinformatics, personal healthcare, computer power to speed up DNA sequencing plus research into ‘Future and emerging technologies 9,1 27 4. Nanoscience get to the bottom of a disease, and develop and integrate new technologies and materials. 3.4 10 5. Energy A major opportunity for biotech. From the development of bio refineries to marine biomas 2.3 7 6. Environment emphasize the sustainable management of resources, climate change, pollution, and conservation. 1.8 5 7. Transport safer, 'greener' and 'smarter' pan European transport systems that will benefit all citizens, respect the environment, and increase the competitiveness of European industries in the global market. 4.1 12 8: Socio-economic Sciences and Humanities Every technological development has a societal consequence. Opportunities especially for National Association led projects like BioImpact, EuroBioJobs portal, BioLife TV, BioPicture Festival. 9: Space Biotech can support the EU’s long term needs, including space transportation (biofuels), bio-medicine, life and physical sciences in space 1.4 4 10: Security The biotech industry contributes to the safety of citizens not only by developing detection technologies and the knowledge needed to ensure security, but also by producing biomedical vaccines. 9

Nanomedicinális Termékek Becsült Piaca Globálisan (md EUR) 2015 2020 2025 Diagnosztikumok In vivo 11 180 1900 In vitro 200 1,700 4500 Gyógyszerek Hagyományos nanocarrierek 15 17,000 34,000 radikálisan új termékek 1,000 3,000 Gyógyeszközök 470 Egyéb 2,000 6,000 Összes 696 20,182 49,400

Nanomedicine Publications and Patents The emerging nanomedicine landscape Volker Wagner, Anwyn Dullaart, Anne-Katrin Bock & Axel Zweck NATURE BIOTECHNOLOGY VOLUME 24 NUMBER 10 OCTOBER 2006 2011.04.11. Nanomedicinális termékfejlesztés

Szabadalmi Beadványok és Publikációk a Nanotechnológia Területén Évente benyújtot és elfogadott szabadalom szám Tudományos Publikációk száma (x1000) Ray Bawa: Nanotechnology patent proliferation and the crisis at the U.S. patent office Albany Law Journal of Science and Technology 17 (3), 699-736, 2007

Nanotechnológiai Szabadalmak Témái Évente kiadott szabadalom szám Ray Bawa: Nanotechnology patent proliferation and the crisis at the U.S. patent office Albany Law Journal of Science and Technology 17 (3), 699-736, 2007

Breakdown of Nanomedicine Publications Subject Countries The emerging nanomedicine landscape Volker Wagner, Anwyn Dullaart, Anne-Katrin Bock & Axel Zweck NATURE BIOTECHNOLOGY VOLUME 24 NUMBER 10 OCTOBER 2006

Nano-Periodic System Tomalia, 2009 J. Nanoparticle Research

Gyógyszerszállító nano-rendszerek Típus Méret (nm) fullerén (Buckminsterfullerene, C60 buckyball ) 1,1 aptamer (RNS, DNS, polipeptid) 1-3 dendrimer (G0-4) 1,4-4,4 polimer-fehérje(gyógyszer) konjugátum 6-15 polimeroszóma 100-220 liposzóma (1 vagy többfalú), sima vagy dekorált 70-200 kolloid lipid diszperzió 50-200 micellum (lipid és polimer alapú) 5-100 kerámia nanorészek <100 nanoketrec (nanocage) 30-40 szén nanocső (1, 2 vagy több falú) 2-18 x 107 fém nanokristály 10-40 nanokagyló (nanoshell, arany-szilika) 130

Gyógyszerszállitó Nano-rendszerek Méretei polimer vezikulum 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 quantum dot fullerén dendrimer micellum Méret (m) liposzómák Szén nanocsövek aptamer konjugátum spio

Forgalomban Lévő Nano-gyógyszerek és Gyógyászati Termékek Lipid nanorészecskék Polimerek és polimer konjugátumok NMR kontrasztanyagok Nanokristályok Egyéb innovatív nano-termékek

Lipid nanorészecskéket Tartalmazó Gyógyszerek Kereskedelmi név Részecske típus Hatóanyag/aktív komponens Indikáció Forgalmazó Ambisome liposzóma (SUV)* amphotericin B szisztémás gombafertőzések Gilead DaunoXome daunorubicin KS DepoCyt citarabin Lymphocytás meningitis SkyePharma, Enzon Doxil/Caelyx doxorubicin KS, petefészekrák, myeloma multiplex J&J, Ortho Biotech Epaxal-Berna hepatitis A antigén hepatitisz vakcina Berna Biotech Marqibo vincristin ALL Hana Biosciences Mepact mifamurtide (MTP-PE) osteosarcoma Takeda Oncology Myocet mellrák Elan, Zeneus Pharma Cephalon Visudyne verteporfin macula degeneráció QLT/Novartis Abelcet kolloid lipid diszperzió (MLV)** Advate octocog alpha (rFVIII) hemophilia A Bayer Shering Amphotec InterMune DepoDur morphin szulfát epidurális fájdalomcsillapítás Pacira/EKR Therapeutics Junovan muramyltripeptid-foszfatidiletanolamin (MTP-PE) osteosarcoma, Ewins sarcoma IDM-Biotech Estrasorb micellum estradiol menopausa Novavax

A Liposzómális Gyógyszerek Felhasználásának Potenciális Előnyei Lokalizált, kontrolált bevitel Irányithatóság célzó ligandok beültetésével Jobb gyógyitási hatásfok Vér és szöveti gyógyszerszintek kedvezőbbek Mellékhatatások csökkennek Kevesebb gyógyszert lehet adni Irányitani lehet a hatást Az adás gyakorisága csökkenthető Betegek jobban collaborálnak Adagolás egyszerűsödik Költségek csökkennek Kiszerelésre alkalmatlan gyógyszerek is felhasználhatókká vállnak

Marketed Liposomal Drugs Brand name Composition Indication Company Abelcet Amphotericin B/ lipid complex Fungal infections Enzon (Bridgewater, NJ, USA) Amphotec lipid colloidal dispersion InterMune (Brisbane, CA, USA) Ambisome Liposomal Amphotericin B Gilead (Foster City, CA, USA), Fujisawa (Osaka, Japan) DaunoXome Liposomal daunorubicin Kaposi sarcoma Gilead Doxil/Caelyx Liposomal doxorubicin Cancer, Kaposi sarcoma Ortho Biotech (Bridgewater, NJ, USA); Schering-Plough (Kenilworth, NJ, USA) Depocyt Liposomal cytarabine Cancer SkyePharma (London), Enzon Epaxal Berna Virosomal hepatitis vaccine Hepatitis A Berna Biotech (Bern, Switzerland) Myocet Breast cancer Zeneus Pharma (Oxford, UK) Visudyne Liposomal verteporfin Age-related macular degeneration QLT (Vancouver, Canada), Novartis (Basel) Estrasorb Estradiol in micellar nanoparticles Menopausal therapy Novavax (Malvern, PA, USA)

Nano-carrier célzó ligandok Célzó ligand (MW) Célzott sejtek Célzott sejtfelszíni receptorok specifikus antitestek sejtfelszíni antigének (Gal-Nac)3-PEG2000-DSG (3000 Da) máj endothel különböző tumor asyaloglycoprotein AGR peptide (600 Da) integrin avb3 Transferrin (80 kDa) transferrin receptor protein Fólsav (vitamin B9) (441) fólsav receptor protein

Doxil, az Első Nanogyógyszer Szerkezet Hatás

Caelyx Összetétel: Indikáció: Adagolás: I.v. 100 nm Caelyx Összetétel: doxorubicin N-(carbonyl-methoxypolyethylene glycol 2000) -1,2-distearoyl- sn-glycero-3-phosphoethanolamine fully hydrogenated soy phosphatidylcholine cholesterol Indikáció: Ovarian Cancer AIDS-Related Kaposi’s Sarcoma Multiple Myeloma Adagolás: I.v. Liposzóma tipus: lopakodó (pegylált, stealth), kis unilamelláris Hatóanyag: viztérben kicsapódva HSP/Chol 2K-PEG-DSPE DOX 100 nm

Polimer tartalmú gyógyszerek és gyógyászati termékek Kereskedelmi név Polimer Hatóanyag Indikáció Forgalmazó Adagen PEG adenosine deaminase Immundeficiencia Enzon Cimzia anti-TNFa Fab-mAb Chron betegség, rheumatoid arthritisz UCB Macugen pegaptanib maculáris degeneráció Gilead/EyeTech inc Neulasta GCSF lázas neutropenia Amgen Oncaspar asparaginase ALL Pegasys α-interferon 2a hepatitis C Nektar, Hoffmann-La Roche PegIntron α-interferon 2b Enzon, Schering-Plough Somavert Pegvisomant (humán recombináns GH analóg) akromegália Nektar, Pfizer Gliadel ostya (wafer) polifeprosan carmustin (BCNU) gliobastoma multiforme MGI PHARMA, INC. Zinostatin stimalamer (SMANCH) poly(styrene-comaleic acid) neocarzinostatin hepatocelluláris carcinoma Yamanouchi Emelle dextrin 2 sulfate HIV ellenes gél M-L Laboratories Copaxone alanin-lysine-glutamic acid-tyrosine Copolymer multiple sclerosis TEVA Renagel sevelamer hydroklorid (polyamin) veseelégtelenség Genzyme Vivagel SPL 713 (polylysine –Na naphtaline dendrimer/carbopol gél genitalis herpes, HPV, AIDS prevenció Starpharma Welchol colesevelam HCl, poly(allylamine hydrochloride)/ epichlorohydrin hiperlipidemia Daiichi Sankyo

NMR Kontrasztanyagok* Kereskedelmi név Indikációs Terület Forgalmazó Resovist májtumorok/betegségek Bayer Shering Feridex Advanced Magnetics, Guerbet Endorem Cliavist béltumorok/betegségek GastroMARK Lumirem *Superparamagnetikus vasoxid-alapú (SPIO) kolloidok

Nanokristályos Gyógyszerek Kereskedelmi név Hatóanyag/aktiv komponens indikáció forgalmazó Emend aprepitant anti-emetikum Abbot, Elan, Merck, Par Pharmaceutical Megace ES megesterol acetate étvágytalanság Rapamune sirolimus (rapamycin) immunszupresszió Elan Drug Delivery, Wyeth Pharmaceuticals (Collegeville, PA, USA TriCor fenofibrát hiperkoleszterinémia Elan, Abbott Triglide SkyePharma, First Horizon

Innovatív nanogyógyszerek Kereskedelmi név Típus Hatóanyag/aktiv komponens indikáció forgalmazó Abraxane albumin paclitaxel tumorok American Pharmaceutical Partner/American BioSciences Macugen Pegylált fehérje (anti-VEGF aptamer) öregkori macula degeneráció Pfizer/OSI Pharmaceuticals Denileukin diftitox Interleukin-2-diftéria toxin fúziós fehérje T-sejtes lymphoma Seragen (Ontak) Mylotarg Anti-CD33-calicheamicin fúziós fehérje Acut myeloid leukémia Wyeth-Yerst Risperdal Consta polyglactin microgömbök risperidon skizofrénia Janssen Pharmaceuticals Definity foszfolipid falú mikrobuborék octafluoropropán ultrahang kontraszt-anyag Dupont Merck Sonovue sulfur hexafluorid Bracco

A vér-agy gát áthatolásának nanotechnológiai megoldásai Nanostruktúra Felszíni adalék Hatóanyag Model Referencia poly-(butylcyanoacrylate) Polysorbate-80 dalargin patkány fájdalom (Alyaudtin és mtsai, 2001) poly (ethylene glycol) (PEG)ylated immunoliposzómák mAbs a transferrin vagy insulin receptor ellen tyrosine hydroxylase plasmid patkány Parkinson Kór (Pardridge 2005). mágneses polimeroszóma polyethyleneimine (PEI) - patkány gliosarcoma (Chertoka és mtsai 2010) liposzóma OX26 fluorescens marker egészséges patkány (Cerletti 2000) polimeroszóma lactoferrin doxorubicin és tetrandrine glioma (Dhanikula és mtsai 2008) PLGA polimeroszóma Trimetil chitosan coenzyme Q egér memória rontás (Wang és mtsai 2010).

Kihivások, Szűk Keresztmetszetek a Nanomedicina Területén Tudás és innováció intenziv K&F Javaslat: speciális képzés támogatása Nehezitett regulációs követelmények Nem-standard toxicitás, immunogenitás és reaktogenitás vizsgálatok Fokozott figyelem a fázis IV (posztmarket) komplikációkra Javaslat: módszertani felkészülés Költséges K&F Javaslat: „out of the box” szakmai és üzleti próbálkozások

Immun Aktivitás Klinikai Következményei Terület Következmény Biztonság csökkenés • Keresztreakció endogén biomolekulákkal, deficienciák • Hypersensitivitásos reakciók Hatékonyság változás • Gyógyszer hatékonyságának növekedése vagy csökkenése Farmakokinetika változás • Dózis és adásmódváltozást igényel Semmi • Antitest képződés ellenére nincs látható hatás

Immun Toxicity of Nanomedicines Acute immune reactivity Pseudoallergy hypersensitivity reactions) anaphylactoid (infusion reactions) Chronic Immunogenicity Antibody formation T cell responses

Pseudo-allergia Nanomedicinák és biológikumok által okozott acut allergiás (infúziós) immun reakciók nagy részében az IgE nem játszik patogén szerepet. Reakciók complement aktiválással függenek össze Complement aktivációs pseudoallergia Complement activation related pseudoallergy (CARPA)

A CARPA MECHANIZMUSA

Clinical Symptoms of Pseudoallergy Cardiovascular Broncho-pulmonary Muco- cutaneous Neuro- Psychosomatic Vegetative Vital angioedema apnea cyanosis back pain chills death arrhythmia bronchospasm erythema chest pain diaphoresis loss of consciousness cardiogenic shock coughing flushing chest tightness diarrhea syncope hypertension dyspnea rash headache dizziness hypotension hyperventilation rhinitis feeling of imminent death fever hypoxia laryngospasm swelling fright nausea myocardial infarction pulmonary infiltrates urticaria panic sweating tachycardia respiratory distress rigors vomiting ventricular fibrillation shortness of breath tightness in chest, throat wheezing

CARPA vs. IgE-mediated hypersensitivity Symptoms of CARPA vs. Ig-E-mediated hypersensitivity Ig-E-mediated (type I) CARPA Symptoms (common) Angioedema, asthma attack, bronchospasm, chest pain, chill, choking, confusion, conjunctivitis, coughing, cyanosis, death, dermatitis, diaphoresis, dispnoea, edema, erythema, feeling of imminent death, fever, flush, headache, hypertension, hypotension, hypoxemia, low back pain, lumbar pain, metabolic acidosis, nausea, pruritus, rash, rhinitis, shock, skin eruptions, sneezing, tachypnea, tingling sensations Characteristics (unique) Reaction arises after repeated exposure to the allergen. Reaction is stronger upon repeated exposures. Reaction does not cease without treatment Rate is low (<2%) Reaction arises at first treatment (no prior exposure to allergen) Reaction is less severe or absent upon repeated exposures. Spontaneous resolution Rate is high (>2%, up to 40%) Causes of death in fatal reactions: cardiac arrest, shock, multi-organ failure The symptoms of CARPA and Ig-E mediated reactions are hard to distinguish, but parameters such as incidence, resolution and recurrance are markedly different between the two.

Drugs Causing Pseudoallergy (Infusion reactions, CARPA?) Liposomal drugs and diagnostics Micellar drug formulations Radio and ultrasound contrast agents Antibody-based Therapeutics & diagnostics Enzymes Proteins Peptides Miscellaneous other Doxyl (Caelix) Ambisome Amphocyl Myocet DaunoXome Tc99-HINIC-PEG Taxol Taxotere Cyclosporine Etoposide Diatrizoate Iodixanol Iohexol Iopamidol Iopromide Iothalamate Ioversol Ioxaglate Ioxilan SonoVue Magnevist Avastin Enbrel Herceptin Humira Raptiva Synagis Xolair Compath Erbitux Mylotarg Remicade Rituxan Vectibix Tysabri Avonex Actimmune Abbokinase Aldurazyme Activase Zevalin Neupogen Neulasta Fasturtec Plenaxis Cancidas Copaxone Orencia Eloxatin Salicilates

Incidence of pseudoallergy 2.2 million adverse drug reactions with 106,000 fatalities per year represents the 4th to 6th leading cause of death in the USA. 25 % of all adverse drug reactions is allergic in nature. Lazarou et al., JAMA, 279;1200, 1998 77% of all allergic drug reactions is not true allergy. Demoly et al., Allergy, 54;500, 1999 420,000 pseudoallergic reactions with 20,000 fatalities/year (?)

Six of the Top 10 biotech brands in 2004 are known to cause immune hypersensitivity reactions Top 10 Biotech brands globally (2004)* Brand name Company Sales 2004 ($m) Erypro/Procrit J&J 3,988 Epogen Amgen 2,897 Enbrel Amgen/Wyeth 2,578 Aranesp 2,569 Remicade J&J/SP 2,506 Mabthera/ Rituxan Roche/ Genentech 2,191 Neulasta 1,873 Avonex Biogen Idec 1,383 Neupogen Amgen/Roche/Genetech 1,343 Lantus Sanofi-Aventis 1,013 Drugs that cause infusion reactions** Less frequent/Less severe More frequent/More severe Avastin Activase Avonex Campath Abbokinase DaunoXome Actimmune Doxil Aldurazyme Erbitux Cancidas Fasturtek Copaxone Mylotarg Enbrel Plenaxis Herceptin Remicade Humira Rituxan Neupogen Taxol Neulasta Taxotere Magnevist Tysabri Raptiva Zevalin Synagis Vectibix SOURCES: * Business Insights 2005 ** Compiled from publicly available information

Hypersensitivity to Doxil and C activation in human sera in vitro Doxil package insert WARNING: Acute infusion-related reactions, sometimes reversible upon terminating or slowing infusion, occurred in up to 10% of patients. Serious and sometimes fatal allergic/anaphylactoid-like infusion reactions have been reported. Medications/ emergency equipment to treat such reactions should be available for immediate use ...” Source: www.doxil .com J. Liposome Res. 10:347-361, 2000

Hypersensitivity to Ambisome and C activation in human sera in vitro N = 20 NHS Serum only Vehicle (PBS) Zymosan Ambisome 100 200 300 400 500 * SC5b-9 (ng/mL) WARNINGS Anaphylaxis has been reported with amphotericin B deoxycholate and other amphotericin B-containing drugs, including AmBisome. If a severe anaphylactic reaction occurs, the infusion should be immediately discontinued and the patient should not receive further infusions of AmBisome.

C activation by Liposomes Classical Pathway Alternative Pathway Natural antibodies IgG C1q C3 C1q CRP C1q IgM C1q

Hypersensitvity to Taxol and C activation in human sera in vitro Taxol package insert WARNING TAXOL® (paclitaxel) should be administered under the supervision of a physician experienced in the use of cancer chemotherapeutic agents. Appropriate management of complications is possible only when adequate diagnostic and treatment facilities are readily available. Anaphylaxis and severe hypersensitivity reactions characterized by dyspnea and hypotension requiring treatment, angioedema, and generalized urticaria have occurred in 2 to 4% of patients receiving TAXOL in clinical trials. Fatal reactions have occurred in patients despite premedication. All patients should be pretreated with corticosteroids, diphenhydramine, and H2 antagonists. Patients who experience severe hypersensitivity reactions to TAXOL should not be rechallenged with the drug. PBS Taxol J Natl Cancer Inst. 90:300-306, 1998 Intern. Immunopharm. 1:721-735, 2001

Hypersensitivity to Taxotere and C activation in human sera in vitro Severe hypersensitivity reactions characterized by generalized rash/erythema, hypotension and/or bronchospasm, or very rarely fatal anaphylaxis, have been reported in patients who received the recommended 3-day dexamethasone premedication. Hypersensitivity reactions require immediate discontinuation of the TAXOTERE infusion and administration of appropriate therapy. TAXOTERE must not be given to patients who have a history of severe hypersensitivity reactions to TAXOTERE or to other drugs formulated with polysorbate 80

C One of 4 proteolytic cascades in blood 35, glycoproteins, 14 defined split products 22 soluble plasma proteins, 13 membrane-bound proteins Basic functions in antibacterial defense inflammation specific immune response immun clearance growth and regeneration pregnancy C

Accelerated blood clearance and enhanced organ uptake of second dose of PEGylated liposomes. Rats were pretreated with PEGylated liposomes (lipid dose, 0.001mol/kg). (A) Blood clearance of second dose of radio-labeled PEGylated liposomes (5mol/kg). (B) Hepatic and splenic accumulation at 24 h following the injection

Mechanism of ABC