Self-assembling microsphere-based dextran hydrogels for pharmaceutical applications
Sophie Van Tomme
The research presented in this thesis was financially supported by OctoPlus N.V., Leiden, The Netherlands and SenterNovem (IS042016). Publication of this thesis was financially supported by: OctoPlus N.V., Leiden, The Netherlands
Organon Bioscience N.V., Oss, The Netherlands
TA Instruments, Etten-Leur, The Netherlands
Utrecht Institute for Pharmaceutical Sciences, Utrecht, The Netherlands
UIPS Utrecht Inst itute for Pharmaceutical Sciences
Self-assembling microsphere-based dextran hydrogels for pharmaceutical applications Sophie Van Tomme PhD Thesis with summary in Dutch Department of Pharmaceutics, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands September 2007 © 2007 Sophie Van Tomme All rights reserved. No part of this thesis may be reproduced or transmitted in any form or by any means without written permission of the author. ISBN: 9789039346341 Cover design: Rob Sens Printed by PrintPartners Ipskamp, Enschede, The Netherlands
Self-assembling microsphere-based dextran hydrogels for pharmaceutical applications
Op microsferen gebaseerde, fysisch gecrosslinkte dextraanhydrogelen voor farmaceutische toepassingen (met een samenvatting in het Nederlands)
Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor aan de Universiteit Utrecht op gezag van de rector magnificus, prof. dr. W.H. Gispen, ingevolge het besluit van het college voor promoties in het openbaar te verdedigen op woensdag 19 september 2007 des middags te 2.30 uur
door
Sophie Rolande Van Tomme geboren op 25 oktober 1980 te Brugge, België
Promotoren:
Prof. dr. ir. W.E. Hennink Prof. dr. S.C. De Smedt
Co-promotor:
Dr. C.F. van Nostrum
A nos amours, à nos faiblesses
Table of contents
1
General introduction
1
2
Biodegradable dextran hydrogels for protein delivery applications
13
3
Self-gelling hydrogels based on oppositely charged dextran microspheres
39
4
Mobility of model proteins in hydrogels composed of oppositely charged dextran microspheres studied by protein release and fluorescence recovery after photobleaching
53
5
Degradation behavior of dextran hydrogels composed of positively and negatively charged microspheres
71
6
Effect of particle size and charge on the network properties of microspherebased hydrogels
89
7
Tuning the degradation behavior of ionically crosslinked dextran hydrogels by variation of the cationic groups
109
8
Macroscopic hydrogels by self-assembly of oligolactate-grafted dextran microspheres
121
9
Possible applications and future perspectives
139
10
Summary
151
Appendix: Samenvatting in het Nederlands List of abbreviations List of publications Curriculum Vitae Dankwoord/Acknowledgement
159 167 169 173 175
Dankwoord
Dankwoord/Acknowledgement “…wisest is she who knows she does not know…” (Socrates)
Hier zit ik dan, lekker een dagje thuis (heerlijk dat systeem!) om ‘op mijn gemak’ mijn dankwoord te kunnen schrijven… Muziekje erbij, kat op schoot, potje koffie in de hand, aantal letters op papier: nul. In de loop der 4 jaar denk je af en toe “die mag ik niet vergeten in mijn dankwoord” en iedereen mag dan wel denken dat ik een uitermate georganiseerd persoontje ben, ik ben toch net niet georganiseerd genoeg om dat soort dingen bij te houden. Bijgevolg zijn we al 2 tango-cd’s verder, heeft Merlijn al hele melodieën bij elkaar gespind, sta ik stijf van de koffie, maar staat er nog niets zinnigs op papier… Welaan, Professor Hennink, Wim, het lijkt me gepast bij jou te beginnen. Samen met Gert Bos heb je er 5 jaar geleden voor gezorgd dat ik als student de smaak van het onderzoek te pakken kreeg. Dat heeft ertoe geleid dat ik een jaar later als AIO bij Biofarmacie aan de slag kon. Ik had me geen betere promotor kunnen bedenken. Af en toe heb ik je vervloekt, dikwijls heb ik veel plezier met je gehad, maar wat het belangrijkste is, je hebt me heel veel geleerd. Ik kon altijd bij je terecht voor grote en kleine ‘uitdagingen’. Je gaf me de kans me op vele gebieden te ontplooien en te bewijzen. We hebben best wel moeilijke tijden doorstaan samen, bijvoorbeeld toen je Nissan het begaf en we strandden in Groningen en IK gelukkig wel een mobieltje had… Ondertussen heeft de moderne technologie ook jou veroverd en rij je nu met een Bijzonder Mooie Wagen, voorzien van een GPS die je tot ‘SophieSophie’ hebt omgedoopt omwille van het ‘kalm blijven’ van de dame (ironie o ironie!). Ik blijf in de toekomst nog even rondhangen in de vakgroep dus ik denk dat je me nog geregeld ‘op de kast’ krijgt ☺. De afgelopen maanden waren ook voor jou zwaar, zeker toen je in juni “3 dames op hetzelfde moment moest afwerken” (dixit WH). Bedankt voor alles Wim! En voor de laatste keer… opposites attract! Professor De Smedt, beste Stefaan, bedankt dat je mijn tweede promotor wilde zijn. Ondanks het feit dat we niet op regelmatige basis werkbesprekingen hadden, hebben onze discussies een zeer waardevolle bijdrage geleverd aan mijn onderzoek en aan het tot stand komen van dit proefschrift. Je kritische vragen hebben me dikwijls geprikkeld dieper te graven dan ik initieel van plan was, met leuke resultaten tot gevolg. Bovendien was het ook aangenaam eens gewoon Vlaams te kunnen ‘klappen’! Mijn co-promotor, Dr. van Nostrum, beste Rene, bedankt voor de begeleiding en de inspirerende werkbesprekingen. Voorlopig zeg ik de academische wereld nog geen vaarwel want in september ga ik als Post Doc aan de slag bij Professor Storm. Beste Gert, je was niet bij mijn AIO-project betrokken, dus ik ken je voorlopig enkel als goedlachse, praatgrage tegenpool van Wim, die een spreekuur heeft ingesteld om mensen te ontvangen… Ik verheug me op onze samenwerking en heb er alle vertrouwen in dat het een uitdagende tijd zal worden. Mevrouw Hennink omschrijft je niet voor niets als de ‘Latin-versie van Wim’… ☺ 175
Appendix
OctoPlus NV was nauw betrokken bij mijn onderzoeksproject. Leo de Leede, Ruud Verrijk, Delphine Ramos, Karin Wensink, Bas Kremer, Marie-Andree Yessine, bedankt voor de nuttige discussies en feedback. Hopelijk zien we op termijn een formulering met de ‘plusmin-bolletjes’ op de markt ☺. Gedurende de afgelopen 4 jaar hebben een aantal mensen op de een of andere manier een professioneel steen(tje) bijgedragen tot mijn project. Een aantal keer was de samenwerking zo vruchtbaar dat er een copublicatie is uitgevloeid, een andere keer bleef het bij een goeie discussie en leerzame ervaring. Graag bedank ik dan ook: Wouter Bult, Bruno De Geest, Joseph Demeester, Wouter Dhert, Marjolein Dijkstra, Natalja Fedorovich, Marco Harmsen, Jean-Paul Kleeven, Govert Kruijtzer, Sander Leeuwenburgh, Enrico Mastrobattista, Ad Mens, Frank Nijsen, Jan Rikken, Juergen en Florence Siepmann, Fouad Soulimani, Marc Sutter, Marja van Luyn, Tom Visser, Herman Vromans, Bert Weckhuysen, Maike Wubben, Sander Zielhuis. Ik ben vast iemand vergeten, bij deze mijn excuses, je krijgt een drankje van me! Een van de taken van een AIO is het begeleiden van studenten, niet altijd een gemakkelijke taak voor iemand die achter in de rij stond toen ‘geduld’ uitgedeeld werd… Dieter, Astrid, Eveline, Mila en Bénédicte, bedankt voor jullie inzet! Astrid en Eveline, jullie project was erg kort (1 maand), maar jullie ijver was formidabel. Ik ben blij dat je ook het AIO-pad bent ingeslaan Eveline! Mila, je enthousiasme was aanstekelijk. Ondanks de tegenvallende resultaten (waar jij voor niets tussen zat, that’s research) bleef je altijd goedgezind en gemotiveerd. Succes verder allemaal. Promotieonderzoek is als de Tour de France (ik ben helemaal niet into wielrennen, maar de Tour komt dit jaar zoveel in het nieuws dat het niet te negeren valt): je hebt vlakke stukken, bergetappes en tijdritten. Gelukkig dat ik mijn ‘bolletjes’ onderwerp niet te letterlijk heb genomen, want om een promotie tot een goed einde te brengen moet je zowel de gele, groene en bolletjestrui aangehad hebben! (ja jongens, ik weet zelfs waarvoor ze staan! Dank je papa ☺) En af en toe, moet je gewoon een rustdag nemen of je erbij neerleggen dat je wel eens moet opgeven, ‘relax, take it easy, for there is nothing that we can do’ (Mika), en daar heb je onder andere collega’s voor. Collega’s, ze komen en gaan, zeker bij Biofarmacie, een groep met een halfwaardetijd korter dan die van een geëxciteerde fluorescente probe, maar overall zijn ze een constante factor, dikwijls mede-lotgenoten, in het leven van een AIO. Weinig vakgroepen kunnen tippen aan die van ons als het om feestjes en gezelligheid gaat. Labuitjes, kerstdiners, proeverijen, promoties, verjaardagen, BBQ’s, trouwerijen en niet te vergeten de 90’s NOW fuiven (Tivoli gaat bijna automatisch kaartjes voor ons reserveren denk ik). Het moge duidelijk zijn, de afgelopen 4 jaar waren zeker niet saai op dat gebied. Biofarmacie-collega’s bedankt! Ik kan niet iedereen opnoemen, maar uiteraard verdienen enkelen een speciale vermelding… Marion, ik was blij toen jij me na een jaar kwam vergezellen op het lab. Samen (met Natasa en Suzanne) brachten we het nodige vrouwelijke leven in de brouwerij op de door mannen overheerste 6de verdieping (ondertussen is de emancipatiegolf gelukkig ook daar doorgedrongen). We hebben veel plezier gehad samen! Veel succes met het afronden van je AIO-project (nog een jaar en jij bent aan de beurt!). In de loop der jaren werden we vergezeld door Albert, Niels en Frank. Jongens, het werd er alleszins niet saaier op met jullie! Niels bedankt voor de grappige noot en om me te laten kennismaken met de wondere wereld van poker… 176
Dankwoord
Martin, ik ben blij dat jij er was. Je hebt een goeie dosis relativeringsvermogen waaraan het een (beginnende) AIO soms ontbreekt. Bedankt voor alle leuke momenten en voor de knuffels en schouderklopjes als ik het nodig had! Professor van Steenbergen ☺, Mies, mijn steun en toeverlaat op het gebied van procedures en apparaten, bedankt voor alle hulp en onuitputbare (soms gekke) ideeën. Zonder jou waren de afgelopen 4 jaar zeker nog zwaarder geweest. Najim, de laatste 6 maanden van mijn project was jij analist ‘voor mij’. Bedankt voor al je werk. Er was niet genoeg tijd om voldoende data te verzamelen voor een publicatie, maar wel voor een hoofdstuk in dit proefschrift! De laatste maanden heb ik het lableven grotendeels achter me gelaten en me teruggetrokken in de AIO-kamer (alias ‘typkamer’), speciaal bedacht voor ‘terminale’ AIO’s. Je mist alle nieuwtjes en roddels van het lab, maar je krijgt er een boel gezelligheid voor terug. Myrra, Cris en Birgit, het waren leuke tijden. Birgit, jammer dat we zo laat onze gezamenlijke passie ontdekten. Het was erg leuk om ongegeneerd over pirouettes en arabesques te kunnen kletsen. We zien elkaar in de toekomst zeker nog bij jazzdance! Barbara, Marjan, Maryam en Tina, mede dankzij jullie voel ik me nu als een vis in het water op de 7de! Ellen, wij vormen samen (en een occasionele student) de Vlaamse enclave bij Biofarmacie. Je blijft tussen al die Hollanders toch de enige die me helemaal verstaat als ik er een typisch Vlaams woord tussenlap. Misschien slaag jij er nog in Wim ervan te overtuigen dat ‘welaan’ echt niet te pas en te ompas gebruikt wordt door alle Belgen… Samen hebben we Utrecht al ontelbare keren onveilig gemaakt en er komen zeker nog meer plezante fuifavonden aan! En dan zijn er de AIO’s die wel bij onze vakgroep behoren maar die we enkel bij presentaties en uitjes zien: Joost en Wouter. Ik kan erg genieten van jullie humor en jullie gezelschap op feestjes! Ook de andere reguliere feestbeesten, Sabrina, Niels (succes met jouw promotie-onderzoek in het mooie Zuid-Afrika!), Marcel, Karlijn, Enrico, Helma (jammer dat je weg bent bij Biofarmacie!), Ethlinn, Holger, Rolf,… bedankt voor alle leuke avonden de afgelopen 4 jaar!! Een gezonde geest in een gezond lichaam… Vreselijk cliché, maar wel waar. Ik ben blij dat ik het een jaar geleden aandurfde om auditie te doen bij een dansgroep in Utrecht. La Vinia danseressen, bedankt voor de inspannende, pijnlijke (anders train je effe in een week voor een spagaat!), ontspannende en soms echt hilarische momenten tijdens de voorbije repetities en uitvoeringen! And there’s more to come…! Een van de voordelen van het AIO-bestaan is dat je veel mensen leert kennen. During the GPEN conference in Lawrence (Kansas, USA), I met Allyn, the chair of the session during which I had to present my work. Allyn, you introduced me to SoCo&Lime ☺ and taught me that “Life isn’t always a fairytale, but it can still be a good story”. As you recently said, our friendship is still young so we have plenty of time to be friends. Good luck with finishing your PhD next year! De verhuis van het mooie Brugge naar het even mooie maar toch heel andere Utrecht heeft op persoonlijk gebied een en ander teweeggebracht. Weinig vriendschappen zijn bestand tegen de eroderende werking van ‘afstand’. Maar de vriendschappen die blijven bestaan, zijn voor het leven. Tina, ik verhuisde naar Utrecht, jij naar Valencia. Maar er is meer nodig dan afstand om ‘kleuterklasvriendinnen’ uit elkaar te krijgen hé! Lang leve msn ☺. 177
Appendix
Julie, mijn lieve paranimf, samen begonnen we aan een Utrecht-avontuur als farmaciestudentes uit Gent. Those were the days! Sindsdien kan onze vriendschap niet meer kapot. Je hebt met me meegeleefd toen het leven hier wat lastiger was en me met warme knuffels uit sommige dipjes geholpen (jaja, dat kan telefonisch ☺). Ik kijk alweer uit naar onze volgende jaarlijkse ‘ondervriendinnen-sauna-verwendag’. Bedankt voor je vriendschap en om mijn paranimf te willen zijn! Met een nieuwe stad en nieuwe job komen natuurlijk ook nieuwe vrienden… De belangrijkste nieuwe persoon in mijn leven sinds ik in Utrecht woon ben jij Cristianne (alias Cris, chica, guapa,…), mijn paranimf. Al heel snel na het begin van ons promotie-avontuur werden we vriendinnen. We zijn samen als AIO begonnen, zullen samen als AIO eindigen en zijn, als kers op de taart, elkaars paranimf! Wat moeten de mensen daarvan denken ☺. Als Thelma & Louise hebben we Amerika in een convertible onveilig gemaakt, 2 keer zelfs! Onvergetelijk: Cruisen met Cris door California in een Chrysler Convertible! Ik ben benieuwd wat we nog allemaal zullen uitspoken! Het maakt niet uit (er zullen ongetwijfeld cocktails mee gemoeid zijn ☺), plezier zullen we zeker hebben. Chica, bedankt voor alles! Als ik van 1 ding zeker ben in het leven, is het wel van onze vriendschap. Collega’s, vrienden,… daarna beland ik vanzelf bij (zo goed als) familie. Familie Fonteyne, Christine en Noël, het was altijd leuk om tijdens de ontelbare weekends waarin we naar Brugge gingen bij jullie aan tafel aan te schuiven. Bedankt voor jullie steun en interesse de afgelopen 4 jaar. Sorry dat ik jullie zoon naar het verre noorden heb ‘ontvoerd’ ☺. Patrick, lieve Nonkel P, je kent me al van voor ik geboren was. Langs de zijlijn heb je me gevolgd in de verschillende fasen van mijn leven. We hebben dikwijls samen gefilosofeerd over het leven en je hebt me veel geleerd. Je stimuleert me om met volle teugen te genieten van het leven, “take a walk on the wild side”… Bedankt voor de gezellige babbels, lekkere etentjes en sponsoring van dit promotiegebeuren. Maar vooral bedankt omdat je er voor me bent! Mama en papa, zonder jullie was ik dit dankwoord niet aan het schrijven. Jullie hebben me altijd gestimuleerd om te doen wat ik wou (qua studies dan hé, laten we niet overdrijven ☺) en jullie hebben me de beste kansen gegeven die iemand zich kan wensen, op alle gebied. Ik heb zoveel van jullie geleerd en dankzij jullie al veel van de wereld gezien. Jullie hebben me mezelf laten ontwikkelen tot de persoon die ik ben vandaag. Ik zie jullie graag! Papa, “il n’appartient qu’aux grands hommes d’avoir de grands défauts”… dat ik nog veel “à nos faiblesses” mag antwoorden als jij zegt “à nos amours”! Mama, ‘compagnon in goeie en slechte dagen’ ☺, mijn grote voorbeeld in het leven, de sterke en vooral lieve vrouw die er altijd voor me is, zonder jou zat ik hier zeker niet. Het is dankzij jouw 2 uur durende peptalk tijdens een rit van Gent naar Utrecht dat ik niet mijn boeltje heb gepakt en gestopt ben met promoveren in oktober 2003. Wie kent me beter dan jij, mijn hartsvriendin? We maken al (bijna!) 27 jaar plezier samen, gaan samen op reis, delen kommer en kwel, zagen tegen elkaar, zijn soms kortaf tegen elkaar (vooral ik, ik weet het, sorry daarvoor!),... Ik besef dat het niet altijd makkelijk is dat ik zo ver van huis woon. Gelukkig ben jij een superhippe mama die sms, email en msn vlot de baas kan! Jouw liefde en knuffels overbruggen iedere afstand! You’re simply the best, mama! 178
Dankwoord
“The greatest thing you’ll ever learn is just to love and be loved in return…” (Moulin Rouge)
Alleen als je het zelf meegemaakt hebt, besef je hoeveel tijd het layouten van een proefschrift kost. Maar dankzij mijn persoonlijke, professionele IT-consultant kent Word geen geheimen meer voor mij! ☺ Matthias, mijn liefje, uiteraard heb je de afgelopen 4 jaar nog veel meer voor me gedaan. Je hebt me zonder gemor mijn droom laten najagen en dat zal ik nooit vergeten. Ik bewonder je uithoudingsvermogen om 2 jaar lang te pendelen tussen Gent en Utrecht, voor mij… Je hebt er altijd voor gezorgd dat ik met beide voeten op de grond bleef staan en liet het niet toe dat ik de AIO zou worden die 7 dagen per week op het lab was. Je leefde mee met mijn uitdagingen, was geïnteresseerd in mijn experimenten en toonde hoe trots je was op mijn verwezenlijkingen. Het leven met een AIO is niet altijd makkelijk, zeggen ze. Als het dan nog gaat om iemand die door haar vader omschreven wordt als “lief maar kattig” en een sticker met “Caution, I can go from 0 to bitch in 2.5 seconds” op haar bureaustoel heeft, dan mag het duidelijk zijn dat jij wel heel bijzonder bent! Je brengt me aan het lachen, verwent me, gelooft in me en laat me volledig mezelf zijn. Je bent mijn beste vriend, ideale reispartner, soulmate. Mijn liefje, bedankt voor je onvoorwaardelijke liefde en steun. Ik hou van je! Ik ben benieuwd wat het leven nog voor ons in petto heeft… Dat was het, de eindstreep is bereikt. Iedereen, BEDANKT! Op naar een volgende uitdaging…! Maar eerst… tijd voor champagne!
“Aim at a high mark and you’ll hit it. No, not the first time, nor the second and maybe not the third. But keep on aiming and keep on shooting for only practice will make you perfect. Finally, you’ll hit the Bull’s Eye of Success” (Miss Annie Oakley)
179
