Universität zu Köln

Tran, Ngoc Bao ORCID: 0000-0002-8702-6515 (2023). Dry Eye Therapy Using Cannabinoid Ligands. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Dry eye disease (DED) has a high prevalence (up to 50% in some communities) with increasing incidence. Notably, patients have such high morbidity and burden that they desperately need effective treatment. However, as a "multifactorial disease," DED consists of various complex disorders, all of which interact to form a vicious circle and obscure the etiology. Even though physicians and patients have different therapeutic options, the common disadvantages in current treatments are (i) a lack of compliance due to an overload of products, (ii) the occurrence of side effects of different drugs, and (iii) limited efficiency in some particular cases. As a result, DED requires a novel therapy capable of simultaneously addressing multiple targets in DED pathogenesis. To find suitable targets and candidates for DED, the endocannabinoid system (ECS) and its receptors (CBRs) present at the ocular surface are a promising choice, as ECS functions are involved in a plethora of physical processes. Experimental evidence showed that using CBRs ligands can modulate anti-inflammatory, neurosensory, and wound-healing processes, which are potential to control and prevent DED pathogenesis and the vicious circle. Therefore, this study was carried out to determine whether CBR ligand eye drops can provide a multiple-target therapy for DED. The project hereby consisted of three parts, addressing consecutive objectives: Firstly, this study confirms the involvement of CBRs (in particular, CB1R and CB2R) in DED pathomechanism based on an experimental DED mouse model (desiccating stress model). CB1R and CB2R were detected by RT-qPCR and in-situ hybridization techniques in the cornea, conjunctiva, and lacrimal glands. During DED-induction, CB1R and CB2R expressions were increasing, concurrent with significant DED phenotypes (low tear production, high score of cornea epitheliopathy, and reduced cornea sensitivity). Furthermore, different CBRs ligands were topically applied to DED-induced mice. CBRs therapy suppressed the increasing trend of CBR expression, which coincided with improved phenotype readouts. Tetrahydrocannabinol (THC) is a promising candidate for anti-inflammatory effects, together with protecting nerve morphology and maintaining corneal sensitivity. Secondly, an in-vitro wound-healing model was developed to characterize the influence of CBR on the re-epithelialization process. Interestingly, while CB1R was found to have a significant effect, selective CB2R ligand did not influence the re-epithelialization. In detail, activating CB1R improved the wound-healing rate while selectively inhibiting CB1R delayed the wound-healing process. Furthermore, tetrahydrocannabinol (THC), a non-selective agonist, showed a biphasic effect: high concentration (from 1 to 10 µM) delayed wound healing, while low concentration (from 0.01 to 0.5 µM) increased the rate. This finding supports the functional role of CBRs in DED pathogenesis and management. Thirdly, we proposed two eyedrop formulations for THC, in which THC was formulated in the form of micelle in water at the nanoscale (around 10nm). All ingredients are already used in pharmaceuticals and bio-products, so the formulations are expected to be safe and well-tolerated. Additionally, the formulation steps are feasible with low technical complexity, showing promise for commercial scaling-up. The finally proposed formulation contains 0.5% THC, adequate to provide a significant effect, as shown in the in-vivo model in the first part. Also, the obtained results confirmed stability when stored at room temperature or refrigerator (4-8oC), facilitating its use by patients. In summary, this study confirmed the potentiality of CBR and CBR ligands, notably THC, as a multiple-target therapy for dry eye patients.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das Trockene Auge ist eine häufige Erkrankung (bis zu 50 Prozent in einigen Populationen) mit zunehmender Inzidenz. Die Krankheit beeinträchtigt die Lebensqualität des Patienten stark und erfordert eine wirksame Behandlung. Das trockene Auge ist eine „multifaktorielle Erkrankung“ und besteht aus verschiedenen komplexen Störungen, die alle miteinander interagieren, um einen Teufelskreis aus sich verstärkenden Pathologien zu bilden und die Ätiologie zu verschleiern. Obwohl viele verschiedene Behandlungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen, bestehen Nachteile in aktuellen Behandlungenformen: (i) eine mangelnde Compliance aufgrund einer Anwendung von Multimedikamentionen, (ii) das Auftreten von Nebenwirkungen verschiedener Medikamente und (iii) die begrenzte Effizienz der Wirkstoffe. Daher besteht ein dringender Bedarf, neue therapeutische Ansätze zu finden, die in der Lage sind, die vielfältigen pathologischen Mechanismen des Trockenen Auges zu kontrollieren. Als neuer therapeutischer Ansatzpunkte für die Behandlung des Trockenen Auges kommt das Endocannabinoid-System (ECS) und seine Rezeptoren (CBRs) in den Geweben der Augenoberfläche in Frage, da ECS-Funktionen mit einer Vielzahl von physikalischen Prozessen verbunden sind. Experimentelle Beweise zeigten, dass die Verwendung von CBRs-Liganden entzündungshemmende, neurosensorische und wundheilende Prozesse modulieren kann, die ebenfalls zentrale Pathomechanismen des Trockenen Auges sind. In dieser Studie wird daher die Hauptfrage beantworten, ob CBRs und CBR-Liganden-Augentropfen eine Multiple-Target-Therapie für DED darstellen können. Um diese Fragen zu beantworten, gibt es drei Untersuchungsteile: Erstens bestätigte die Studie die Beziehung zwischen Cannabinoidrezeptoren (CB1R und CB2R) und der Pathogenese des Trockenen Auges unter Verwendung eines experimentellen Modells der Trockenen Auges bei Mäusen (Austrocknungsstressmodel). Im Einzelnen wurden CB1R und CB2R an Hornhaut, Bindehaut und Tränendrüsen nachgewiesen. Weiterhin wurden in diesem Modell Augentropfen mit unterschiedlichen CBRs-Liganden getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Behandlung mit CBR-Liganden die CBR-Expression reduziert und eine Verbesserungen des Krankheitsstatus, einschließlich reduzierter Schäden und entzündungshemmender Wirkung auf die Hornhaut vermittelt. Neben der entzündungshemmenden Wirkung wird insbesondere die durch THC geschützte Morphologie des Hornhautnervs dargestellt, wodurch die Empfindlichkeit der Hornhaut aufrechterhalten und die Infiltration von CD4+-T-Zellen reduziert wird. Zweitens wurde ein In-vitro-Wundheilungsmodell entwickelt, um die Auswirkungen von CBR auf die Reepithelisierung zu beschreiben. Interessanterweise wurde festgestellt, dass CB1R eine signifikante Wirkung hat, während selektive CB2R-Liganden die Reepithelisierung nicht beeinflussten. Insbesondere die Aktivierung von CB1R verbessert die Wundheilungsraten, während die selektive Hemmung von CB1R die Wundheilung verlangsamt. Darüber hinaus zeigte Tetrahydrocannabinol (THC), ein nicht-selektiver Agonist, eine zweiphasige Wirkung: Hohe Konzentrationen (von 1 bis 10 µM) verzögerten die Wundheilung, während niedrige Konzentrationen (von 0,01 bis 0,5 µM) die Wundheilung beschleunigten. Dieser Befund unterstützt nachdrücklich die funktionelle Rolle von CBRs bei der Pathogenese und Behandlung von DED. Drittens schlugen wir zwei Augentropfenformulierungen für THC vor; wo THC als Mizellen in Nanogröße (etwa 10 nm) in Wasser hergestellt wird. Alle Inhaltsstoffe sind in Pharmazeutika und Probiotika üblich, daher wird erwartet, dass die Formulierungen sicher sind und von den Patienten gut vertragen werden. Darüber hinaus können die Formulierungsschritte als Krankenhauszubereitungen verwendet werden und sind vielversprechend für eine kommerzielle Maßstabsvergrößerung. Diese Formulierung enthält eine THC-Konzentration von 0,5 %, was ausreicht, um eine signifikante Wirkung zu erzielen, wie im ersten Teil des In-vivo-Modells gezeigt wurde. Darüber hinaus bestätigen die erhaltenen Ergebnisse die Stabilität bei Lagerung bei Raumtemperatur oder im Kühlschrank (4-8 °C), was die Anwendung am Patienten erleichtert. Zusammenfassend bestätigte diese Studie das Potenzial von CBR-Liganden und CBRs als Multi-Targeting-Therapie für Patienten mit Trockenem Auge. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Tran, Ngoc Bao baotn@hup.edu.vn orcid.org/0000-0002-8702-6515 UNSPECIFIED
Contributors:	Contribution Name Email Scientific advisor Steven, Philipp philipp.steven@uk-koeln.de
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-646846
Date:	12 January 2023
Publisher:	Hundt Druck GmbH
Place of Publication:	Cologne, Germany
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Augenheilkunde
Subjects:	Chemistry and allied sciences Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Dry eye disease English Cannabinoid receptor English Cannabinoids English Inflammation English Neuro-sensory abnormalities English Wound healing English Drug formulation English
Date of oral exam:	12 January 2023
Referee:	Name Academic Title Lehmann, Helmar Prof. Dr. Fuhr, Uwe Prof. Dr.
Funders:	European Union‘s Horizon 2020 research and innovation program, Marie Skłodowska Curie grant agreement, IT-DED3 No.7656
Projects:	Integrated Training in Dry Eye Disease Drug Development
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/64684