Quality-by-Design Optimization of intraperitoneal Drug Delivery with Pressurized Aerosols

Abstract

Die “Pressurized IntraPeritoneal Aerosol Chemotherapy” (PIPAC) ist ein minimalinvasives lokales laparoskopisches Verfahren zur Behandlung von bösartigen Erkrankungen des Peritoneums. Elektrostatische Fällung wurde mit der PIPAC (ePIPAC) kombiniert, um die Homogenität der Arzneimittelverteilung weiter zu verbessern. Unter Hochspannung entstehen wässrige Poren in der Zellmembran, die zu einer höheren Wirkstoffpenetration führen. Dieser Prozess wird Elektroporation genannt und findet in der Onkologie breite Anwendung. Darüber hinaus könnte die Elektroporation zu einer irreversiblen Schädigung der Zellmembran führen und so die Antitumorwirkung verstärken. Obwohl ePIPAC bereits in klinischen Studien eingesetzt wird, sind die präklinischen Daten bescheiden. Beispielsweise ist die Anwendungsdauer nicht genau bekannt, aber neueren Forschungsergebnissen zufolge könnte sie eine wichtige Rolle für das Ansprechen des Tumors auf die Therapie spielen. In dieser Studie lieferten wir einen präklinischen Hintergrund für ePIPAC, bei dem die Aerosolverteilung und -sedimentation in Echtzeit in physikalischen Experimenten untersucht, die lokale Toxizität im Zellkulturmodell, die räumliche Arzneimittelverteilung im Gewebe sowie die Aerosolabsorption und -sedimentation in Echtzeit in ex vivo Modellen analysiert wurden. Ergänzend wurde der Einfluss der Anwendungszeit auf die Arzneimittelverteilung im Gewebe gezeigt. Durch die Zugabe von elektrostatischer Fällung zur PIPAC betrug die Schwebezeit des Aerosols weniger als 25 Sekunden nach der Aerosolisierung, und der median Aerosoldurchmesser der Feinfraktion, der für eine tiefere und homogenere Wirkstoffpenetration im Gewebe verantwortlich ist, war stabil. In vitro zeigte ePIPAC im Vergleich zu PIPAC eine erhöhte Antitumoraktivität, mit einer höheren Anzahl apoptotischer Zellen direkt nach der Behandlung und einer geringeren Zellstoffwechselaktivität nach 48 Stunden. Beide Verfahren hemmen das Zellwachstum am neunten Tag nach der Behandlung vollständig. Im ex vivo verstärkten invertierten Rinderharnblasenmodell (eIBUB) lieferte ePIPAC über 100 ml Therapeutika innerhalb von 6 Minuten, was mit PIPAC für 36 Minuten vergleichbar war. Jedoch war die räumliche Arzneimittelverteilung nach ePIPAC vs PIPAC homogener. Eine Erhöhung der Expositionszeit auf 30 Minuten führte bei der ePIPAC zu einer Gewebepenetration von Arzneimitteln über 4000 µm, gegenüber etwa 500 µm bei der PIPAC. Darüber hinaus zeigten die äußeren Schichten von eIBUB nach ePIPAC eine intensivere Färbung bezüglich gespaltener Caspase-3, was eine höhere Apoptoserate im Vergleich zu PIPAC bestätigen könnte. Das ex vivo Kaninchenmodell zeigte die gleichen Muster bei der Arzneimittelverteilung im Gewebe wie eIBUB. Die Gewebekonzentration des Arzneimittels war in den viszeralen Organen nach ePIPAC höher als nach PIPAC. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ePIPAC eine homogenere und tiefere Arzneimittelverteilung im Gewebe als PIPAC ermöglicht, mit leicht erhöhter in vitro Toxizität. Ex vivo hatte ePIPAC eine fünfmal kürzere Anwendungszeit als PIPAC und eine intensivere Apoptosefärbung in den tieferen Schichten. Die weitere Optimierung von ePIPAC erfordert in vivo Studien an einem großen gesunden Tiermodell, z.B. Schweine, bei denen die räumliche Arzneimittelverteilung, die systemische Arzneimittelclearance und die Toxizität bewertet werden müssen. Durch die Bestätigung unserer Ergebnisse kann die Anwendungszeit von PIPAC verkürzt werden, was zu einer homogeneren Arzneimittelverteilung und einer höheren lokalen Toxizität führt. All dies könnte die Ergebnisse und die Lebensqualität von Patienten verbessern, die von peritonealen Malignomen betroffen sind.

Pressurized Intraperitoneal Aerosol Chemotherapy (PIPAC) is a minimally invasive local laparoscopic procedure for treating peritoneal malignancies. Electrostatic precipitation was combined with PIPAC (ePIPAC) to further improve the homogeneity of drug distribution. Under high voltage, aqueous pores appear in the cell membrane leading to higher drug penetration. This process is called electroporation and is widely applied in oncology. Furthermore, electroporation might induce irreversible cell membrane damage, increasing the antitumor effect. Although ePIPAC is already implemented in clinical studies, preclinical data are modest. For instance, the application time is not well established, but according to recent research might play an important role in tumor response to therapy. In this study, we provided a preclinical background for ePIPAC, where aerosol distribution and sedimentation were investigated in real-time in physical experiments, local toxicity in cell culture model, spatial tissue drug distribution, real-time aerosol absorption, and sedimentation were analyzed in ex vivo models. The influence of application time on tissue drug distribution was complementarily shown. By adding electrostatic precipitation to PIPAC, the floating time of aerosol was less than 25sec after aerosolization, and the median aerosol diameter of the fine fraction, which is responsible for deeper and more homogeneous tissue drug penetration, was stable. In vitro, ePIPAC showed enhanced antitumor activity compared to PIPAC, with a higher number of apoptotic cells right after the treatment and lower cell metabolic activity after 48h. Both procedures inhibit cell growth entirely on day nine after the treatment. In the ex vivo enhanced inverted bovine urinary bladder model (eIBUB), ePIPAC delivered over 100ml of therapeutics within 6min, which was comparable with PIPAC for 36min. However, the spatial drug distribution was more homogeneous after ePIPAC vs PIPAC. Increasing exposure time to 30min led to tissue drug penetration over 4000µm in ePIPAC, versus around 500µm during PIPAC. Moreover, more intense cleaved caspase-3 staining was in the outer layers of eIBUB after ePIPAC, which might confirm a higher apoptosis rate compared to PIPAC. The ex vivo rabbit model showed the same patterns in tissue drug distribution as eIBUB. The tissue drug concentration was higher in visceral organs after ePIPAC vs PIPAC. In conclusion, ePIPAC allows more homogeneous and deeper tissue drug distribution than PIPAC, with slightly enhanced in vitro toxicity. Ex vivo, ePIPAC had 5 times shorter application time than PIPAC with more intense apoptosis staining in the deeper layers. The further optimization of ePIPAC requires in vivo studies on a large healthy animal model, e.g. swine, where spatial drug distribution, systemic drug clearance, and toxicity have to be evaluated. By confirming our results, the application time of PIPAC can be reduced with more homogenous drug distribution and higher local toxicity. All this might improve outcomes and the quality of patients’ life affected by peritoneal malignancies.