| dc.description.abstract | Norsk sammendrag
Hjerneskade i nyfødte (neonatal encefalopati, NE) er en vanlig lidelse med alvorlige konsekvenser for pasientene, deres familier og samfunnet. Den vanligste identifiserbare årsaken til NE er mangel på oksygen og blodforsyning til hjernen, hypoksisk-iskjemisk encefalopati (HI). Behandlingen av HI er utfordrende og det er et stort behov for nye behandlinger som kan gis uten intensivovervåkning, til pasienter der diagnosen er usikker, i settinger med begrensede helseressurser og som tillegg til etablert behandling. En foreslått behandling er melatonin, et endogent indolamin som er tilknyttet døgnrytmeregulering men som også har interessante antiinflammatoriske, antioksidative og anti-eksitotoksiske egenskaper som kan være relevante for HI.
Målet for denne avhandlingen har vært å utvikle og karakterisere en formulering og et doseringsregime for melatonin som kan anvendes ved hjerneskade i nyfødte. Ettersom melatonin er lite vannløselig har en sentral del av dette arbeidet vært å finne et egnet og lite skadelig løsemiddel. Arbeidet har blitt utført på en nyfødt rottemodell av HI (n = 155), og effektene ble målt ved hjelp av MR-avbildning, MR-spektroskopi, hjernehistologi og tester av nevrologisk funksjon. Avhandlingen består av fire artikler.
I artikkel I ønsket vi å undersøke effektene av tidlig behandling med melatonin og løsemiddelet DMSO på hjernens stoffomsetning ved HI. Vi gjorde MR-spektroskopi av nyfødte rotter med HI. Vi fant beskyttende effekter av melatonin vist ved en mer gunstig metabolsk profil som sannsynligvis representerer redusert celleskade og/eller effekter på glutamat/glutaminmetabolismen. Ytterligere effekter av melatonin kan ha blitt maskert av ugunstige effekter av DMSO.
I artikkel II var vi interessert i virkningen av melatonin og løsemiddelet DMSO på hjernens langtidsutvikling etter HI. Flere melatoninbehandlede dyr enn vehikkel-behandlede dyr (54.5% mot 15.8 %) utviklet en mild skade. På gruppenivå ga melatoninbehandling kun en tendens til mildere skade dag 1 etter HI, ikke bedret langtidsutkomme. Det så ut til at behandlingsregimet med 3 injeksjoner à 10 mg/kg innen de første 25 timene kun førte til en forbigående og subtil nevroprotektiv effekt, som ikke var tilstrekkelig til å forebygge langtidsskade på hjernen.
Ettersom vi tenkte at melatonindoseringen kunne ha vært for lav, og at løsemiddelet DMSO kunne ha redusert virkningen av melatonin, ønsket vi å utvikle en formulering som var uten organiske løsemidler og kunne muliggjøre en høy melatonindose. I artikkel III syntetiserte vi derfor liposomer og nanoemulsjoner med melatonin ved hjelp av en enkel prosess i tre trinn, og karakteriserte formuleringene in vitro og i levende voksne rotter ved hjelp av gjentatte blodprøver og in vivo mikrodialyse av hjernevev. Formuleringene var stabile i minst en uke, og hadde høy innkapslingseffektivitet for melatonin. Sammenlignet med det konvensjonelle løsemiddelet etanol hadde lipidformuleringene forsinket frigjøring av melatonin in vitro. Dette korresponderte med funnene in vivo av mer gunstige farmakokinetiske parametere for lipidformuleringene (10 mg/kg) sammenlignet med DMSO-melatonin.
Til artikkel IV valgte vi ut den mest lovende formuleringen fra artikkel III (melatoninliposomer) og injiserte en høy dose (3 injeksjoner med 30 mg/kg i løpet av de første 24 timer etter HI) til nyfødte rotter med HI og sammenlignet utfallet med rotter behandlet med DMSO-melatonin i samme dosering. Vi fant høye konsentrasjoner av DMSO og metabolske forstyrrelser forenelig med mitokondriell dysfunksjon i hjernen til DMSO-behandlede dyr 11-24 timer etter injeksjon.
Til vår overraskelse førte melatoninbehandling til redusert vektoppgang fra dagen før HI til dagen etter. Nedsatt vektoppgang var korrelert med dårligere resultater ved de fleste utfallsvariabler. Etter vektkorreksjon bedret mange av utfallsvariablene seg for de melatoninbehandlede dyrene, spesielt dyrene som fikk melatonin i liposomer. Resultatene indikerer fordeler ved bruk av liposomer sammenlignet med DMSO, selv om den reduserte vektoppgangen vanskeliggjør tolkning og overføring til mennesker.
Sammenfattet viser denne avhandlingen nytten ved melatonin oppløst i liposomer sammenlignet med det organiske løsemiddelet DMSO. Ved å bruke liposomer unngår man den ugunstige effekten av DMSO på hjernens stoffomsetning samtidig som opptaket i hjernen bedres. 90 mg/kg kan dog være for høy dose for optimal effekt, ettersom det ser ut til å føre til dårlig vektoppgang hvilket sammenfaller med dårligere utfall. Disse resultatene vil være nyttige for design av kliniske studier av melatoninbehandling av hjerneskade i nyfødte. | en_US |
| dc.description.abstract | Summary
Brain injury in newborns (neonatal encephalopathy, NE) is a common disorder with severe consequences for the patients, their families and society. The most common identifiable cause of NEis lack of oxygen and blood to the brain, hypoxic-ischemic encephalopathy (HI). Treatment of HI is difficult and there is a great need for new treatments that can be applied without intensive care monitoring, to patients where the diagnosis is uncertain and in low resource settings, and as an adjuvant to standard treatment. One proposed therapeutic agent is melatonin, an endogenous indoleamine associated with diurnal signalling but with interesting anti-inflammatory, antioxidative and anti-excitotoxic properties that could be relevant in HI.
The goal of this thesis has been to develop and characterise a formulation and dosing regimen of melatonin that can be applied in neonatal HI. Due to the low water solubility of melatonin, the selection of an appropriate delivery vehicle has been central to this work. The work has been performed using a neonatal rat model of HI (n = 155), and effects were measured using MR imaging, MR spectroscopy, brain histology and tests of neurological function. The thesis is composed of four papers.
In paper I, we wanted to characterize the effects of early melatonin treatment and the solvent DMSO on cerebral metabolism in neonatal HI, using neonatal rats and MR spectroscopy. We found neuroprotective effects of melatonin, reflected in a more favorable metabolic profile that likely represents reduced cell injury and/or the influence of melatonin on glutamate/glutamine metabolism. However, modulatory effects of the solvent DMSO on cerebral energy metabolism might have masked additional beneficial effects of melatonin.
In paper II, we were interested in effects of melatonin and the solvent DMSO on long-term brain development. More melatonin treated than vehicle treated animals (54.5 % vs 15.8 %) developed a mild injury. However, on average, melatonin treatment resulted only in a tendency towards milder injury day 1 after HI, and not improved long-term outcome. It seemed that the melatonin treatment regimen of 3 injections of 10 mg/kg within the first 25 hours only gave a transient and subtle neuroprotective effect, and may not have been sufficient to mitigate longterm brain injury development following HI.
Since we hypothesized that the melatonin dosage might have been too low, and that the solvent DMSO might reduce the effect of melatonin, we sought to develop a formulation that was free from organic solvents and could facilitate a high melatonin dosage. In paper III, we synthesized liposomes and nanoemulsions containing melatonin using a simple three-step method, and characterized the formulations in vitro and in adult rats using repeated blood sampling and in vivo brain microdialysis. Formulations were stable over a week, and had a high melatonin encapsulation efficiency. Determination of the in vitro release kinetics showed a prolonged release of melatonin from nanoparticles in PBS when compared to the conventional melatonin solubilizer ethanol. This corresponded to the improved pharmacokinetic parameters in vivo after intravenous administration of melatonin nanoformulations (10 mg/kg) in comparison to the DMSO-melatonin.
In paper IV, we selected the most promising formulation from paper III (melatonin liposomes) and administered a high dosage (3 injections of 30 mg/kg during the first 24 hours after HI) to neonatal rats with HI and compared the outcome to rats treated with DMSO-melatonin in the same dosage. A high DMSO concentration and metabolite deviations consistent with mitochondrial impairment was found in the brain of DMSO-treated animals 11-24 hours after injection. Surprisingly, melatonin treatment led to decreased weight gain from the day before HI to the day after. Weight change was correlated with most outcome variables. When correcting for weight, ADC values, volumetric variables, metabolite concentrations and histological scores normalized for melatonin treated animals, especially for liposomal treated animals. The results indicate non-inferiority of liposomal melatonin relative to DMSO, and possibly superiority, although the decrease in weight gain makes interpretation and direct translation challenging.
In conclusion, this thesis demonstrates the usefulness of liposomal melatonin over melatonin dissolved in the organic solvent DMSO for treating neonatal HI. Liposomal melatonin avoids the mitochondrial toxicity of DMSO while improving delivery to the brain. However, 90 mg/kg may be too high dosage for optimal effect, as it seems to induce poor weight gain which is correlated with worse outcome. These results should prove useful when designing clinical trials with melatonin treatment of neonatal HI. | en_US |
