Doktorarbeit
Polyelektrolytkomplexe und ihr Therapeutisches Potential
Christopher V. Synatschke (01/2013-06/2013)
Betreuer: Axel H. E. Müller
Kurzfassung
Diese Dissertation behandelt die Herstellung von Polyelektrolyt-Nanostrukturen, sowie die Erzeugung und Charakterisierung von Interpolyelektrolytkomplexen (IPEK) und deren Verwendung in therapeutischen Fragestellungen. Der therapeutische Nutzen solcher Strukturen verbindet die zwei Teilgebiete dieser Arbeit. Im ersten Teil wird die nichtvirale Transfektion von Kulturzellen mit Hilfe von sternförmigen Polykationen auf Basis von Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylat) (PDMAEMA) untersucht. Der zweite Themenkomplex behandelt die Struktur von kompartimentierten Polymermizellen aus Triblock-Terpolymeren. Dabei wurde vorrangig die Komplexbildung mit entgegengesetzt geladenen Polyionen untersucht. Schließlich wurde die Fähigkeit solcher komplexen mizellaren Strukturen zum Wirkstofftransport in der Krebstherapie getestet. Zum Verständnis von Struktur-Wirkungsbeziehungen wurde eine Materialbibliothek aus DMAEMA-Polymeren hergestellt. Es wurden lineare und sternförmige Polymere mit verschiedener Armzahl und Molekulargewichten erzeugt. Alle DMAEMA-Polymere wurden mit Plasmid-DNA komplexiert und die resultierenden Polyplexe auf ihre Transfektionseigenschaften hin untersucht. Es wurde der Trend einer Verringerung der Polymer-induzierten Zytotoxizität mit steigendem Verzweigungsgrad gefunden. PDMAEMA-Sterne mit etwa 20 Armen zeigten eine überragende Transfektionseffizienz in CHO-K1 Zellen, gekoppelt mit einer geringen Zytotoxizität. Diese verbesserten Transfektionseigenschaften wurden auch in anderen Zelllinien bestätigt. Darunter befanden sich konfluente, nicht-teilende C2C12 Zellen sowie ausdifferenzierte humane T-Lymphozyten. Außerdem wurden die guten Transfektionsergebnisse von Si-PDMAEMA ebenfalls mit Mizellen aus einem amphiphilen Diblockcopolymer erreicht. Dies wird als Hinweis auf ein generelles Design-Prinzip gedeutet: PDMAEMA Strukturen, die viele Arme ausgehend von einem gemeinsamen zentralen Punkt haben, sind bei der nicht-viralen Gentransfektion besonders effektiv. Der zweite Themenkomplex dieser Dissertation behandelt die Struktur ionischer kompartimentierter Mizellen, nachdem sie mit entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten komplexiert wurden. Als Basis für diese Untersuchungen dienten Mizellen mit Kern-Schale-Korona Struktur, die sich aus dem Triblockterpolymer Polybutadien-block-poly(1-methyl-2-vinyl pyridinium)-block-polymethacrylsäure (BVqMAA) ausbilden. Nach außen hin werden die Mizellen durch eine dichte Korona aus überschüssigem PMAA stabilisiert, welches für die Komplexbildung mit weiteren Polykationen genutzt werden konnte. Dabei bildet sich ein neues Kompartiment auf der Mizelle aus, das sich je nach verwendetem Polykation von den vorherigen Kompartimenten unterscheiden lässt. Das Kompartiment hatte die Form einer durchgängigen Schale, wenn die BVqMAA Mizellen eine kurze bis mittlere Korona-Länge hatten (345 – 550 MAA Einheiten pro BVqMAA Kette). Wurde für die Komplexbildung anstelle eines Homopolymers ein amphiphiles Diblockcopolymer mit einem positiven und einem wasserlöslichen aber ungeladenen Block verwendet, so konnte eine kolloidale Stabilität der erzeugten komplexen Mizellen über den gesamten Mischbereich zwischen Mizellen und Polykationen erreicht werden. Bei BVqMAA Mizellen mit einer besonders langen PMAA Korona (1350 Einheiten) wurde eine unregelmäßige Verteilung des neu gebildeten IPEK bei der Zugabe von Homopolymeren um den Kern gefunden. Als Ursache für diese neuen Strukturen wird eine Grenzflächenminimierung zwischen ursprünglichem Kern und neu gebildetem Kompartiment vermutet. Abschließend wurden die Mizellen aus BVqMAA auf ihre Effizienz im Transport von hydrophoben Wirkstoffmolekülen für eine photodynamische Krebstherapie getestet. Durch die Komplexbildung der Mizellen mit dem doppelt hydrophilen Diblockcopolymer Poly(L-lysin)-block-poly(ethylenglykol) (PLL-b-PEG) konnte die Zusammensetzung der Mizell-Korona von reinem PMAA kontinuierlich zu einer PEG-Korona verändert werden. Der Einfluss der Korona auf die biologischen Eigenschaften konnte so untersucht werden. Bei einem hohen Anteil an zugegebenem PLL-b-PEG wurde eine neue Struktur gefunden, wobei sich das neu gebildete IPEK-Kompartiment in Zylinderform senkrecht auf dem Mizellkern stehend ausbildet. Bei Untersuchungen der durch die Wirkstoff-tragenden Mizellen verursachten Zytotoxizität konnte ein deutlicher Einfluss der Korona-Zusammensetzung gefunden werden. Die Zytotoxizität wurde mit steigendem Anteil an PLL-b-PEG in der Mizellkorona stetig geringer, wobei der Trend gut mit der in die Zellen aufgenommenen Menge an Wirkstoff korrelierte. In Mäusen wurde eine verlängerte Blutzirkulation im Bereich mehrerer Stunden lediglich für vollständig PEGylierte Mizellen beobachtet. Auch eine signifikante Akkumulation in subkutanen A549-Tumoren wurde nur für solche Mizellen gefunden. Es wurde eine effiziente Wachstumsunterdrückung des Tumors über einen Zeitraum von 21 Tagen erreicht.