title: Polyelectrolyte Multilayer Capsules for Medical Applications
title: Polyelektrolytmultischichtkapseln für medizinische Anwendungen
Creators: name: Nazarenus, Moritz
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Gene Therapy
Lysosom
Theranostik
Physik
Polymer Capsules
Lysosomale Speicherkrankheiten
pH
Lysosomal Storage Disease
Gentherapie
Sensing
Nanomedizin
Zellkultur
Drug Delivery
Individualisierte Medizin
Fluoreszenz
Polymerkapseln

description: This thesis deals with the
      application of polymer capsules for diagnostic and
      therapeutic purposes in mammalian cells. The capsules
      comprise a multilayer shell of oppositely charged
      polyelectrolytes surrounding a cavity and have a size of two
      to five microns. Concerning diagnostics, capsules were
      produced to monitor the dynamics of the lysosomal pH in
      cancer cells. The cavities of the capsules were filled with a
      fluorescent, pH-sensitive dye for optical readout of the
      signal. The cells were monitored under physiological
      conditions upon induced pH imbalances. The results showed
      that the capsules were appropriate for intracellular
      long-term measurements and could monitor changes of the pH.
      For therapy, biodegradable capsules filled with biologically
      active molecules were synthesized. Two strategies were
      employed. In one approach, the cavity was filled with
      polyplexes of DNA or RNA and polyethylenimine, which are used
      regularly for the delivery of foreign genetic material into
      host cells. This approach is an example for gene therapy. The
      results showed that delivery by the capsules was very
      efficient and the encapsulated polyplexes were less toxic for
      the cells than their free counterparts. The other strategy
      was to directly deliver functional enzymes into cells. For
      this approach, cell models representing lysosomal storage
      diseases were employed. One of these diseases is Fabry.
      Patients with Fabry disease are deficient of the enzyme α
      galactosidase A. The enzyme was encapsulated in biodegradable
      capsules and given to the cells. This therapy form is called
      enzyme replacement therapy. The intracellular enzyme activity
      was determined by quantification of the intracellular level
      of a fluorescently labeled substrate of α galactosidase A. As
      the products of the reaction were non-fluorescent, the
      intracellular fluorescence could be used to quantify the
      intracellular activity of the encapsulated enzyme. Finally,
      therapy and diagnostics were combined in a model of Krabbe
      disease, another lysosomal storage disorder. In Krabbe
      patients, sphingolipids and cerebrosides accumulate in the
      oligodendritic glia cells of the patients, as due to a gene
      defect the enzyme galactocerebrosidase usually converting
      these agents is not expressed. In the model, the cause of the
      disease was simulated by incubation of oligodendritic cells
      with psychosine, which belongs to the group of sphingolipids.
      Galactocerebrosidase was encapsulated in biodegradable
      capsules and delivered to the cells. The functionality was
      tested by a viability assay. Two types of cells were used,
      wild-type cells expressing galactocerebrosidase and knockout
      cells, which did not express the enzyme. The viability of the
      cells in the presence of psychosine was determined with and
      without addition of galactocerebrosidase-filled capsules. The
      results showed that the effect of the capsules on the
      viability of the two different cell types was contrary.
      Whereas knockout cells gained higher viability when capsules
      were administered, wild-type cells suffered a loss in
      viability. The diagnostic part was characterized by
      monitoring the lysosomal pH upon incubation with psychosine.
      The dynamics of the lysosomal pH of the two types of cells
      turned out to be different. Each of the cell types could
      therefore be identified with a specific pH profile and the
      decision to treat cells with the enzyme-filled capsules can
      be based on the measured pH profile. This is considered an in
      vitro-example of theranostics, the combination of therapy and
      diagnostics.
description: Die vorliegende Arbeit hat die
      Anwendung von Polymerkapseln in diagnostischen und
      therapeutischen Fragestellungen in Säugerzellen zum Thema.
      Die Kapseln bestehen aus einer Kavität umhüllt von mehrern
      gegensätzlich geladenen Polyelektrolytschichten und haben
      eine Größe von zwei bis fünf Mikrometern. Für die
      diagnostischen Anwendungen wurden Kapseln für die Beobachtung
      des lysosomalen pH-Wertes von Krebszellen synthetisiert. Die
      Kavitäten der Kapseln wurde dafür mit einem fluoreszenten,
      pH-abhängigen Farbstoff gefüllt, um das Signal optisch
      auszulesen. Die Dynamik des lysosomalen pH-Wertes unter
      äußerlicher Beeinflussung wurde vermessen. Aus den
      Ergebnissen ging hervor, dass die Kapseln für die
      intrazelluläre Langzeitmessung geeignet waren und Änderungen
      des pH-Wertes verfolgt werden konnten. Für therapeutische
      Aufgaben wurden bioabbaubare Kapseln mit biologisch aktiven
      Molekülen beladen. Zwei verschiedene Strategien wurden
      verwendet. Im ersten Fall wurde die Kavität der Kapseln mit
      Polyplexen aus DNA oder RNA und Polyetylenimin gefüllt, die
      weithin für die Einbringung von fremden Genmaterial in Zellen
      eingesetzt werden. Dies ist ein Beispiel für Gentherapie. Die
      Ergebnisse zeigten, dass die Integration des fremden
      Genmaterials mithilfe von Kapseln sehr effizient war und die
      eingekapselten Polyplexe weniger toxisch für die Zellen waren
      als freie Polyplexe. Die zweite Strategie war, funktionale
      Enzyme direkt zu integrieren. Dafür wurden Modelle für
      lysosomale Speicherkrankheiten eingesetzt. Patienten mit
      Morbus Fabry expremieren das Enzym α-Galactosidase A nicht
      oder nur unzureichend. Im Versuch wurden bioabbaubare Kapsel
      mit dem Enzym synthetisiert und den Modellzellen verabreicht.
      Diese Therapieform nennt man Enzymersatztherapie. Die
      intrazelluläre Enzymaktivität wurde mithilfe eines
      fluoreszenten Substrats von α Galactosidase A bestimmt. Da
      das Produkt der Enzymreaktion nichtfluoreszierend ist, kann
      aus der intrazellulären Fluoreszenz auf die Aktivität des
      Enzyms geschlossen werden. Zuletzt wurden Diagnose und
      Therapie in einem Modell für Morbus Krabbe, einer weiteren
      lysosomalen Speicherkrankheit, vereint. Bei Krabbe-Patienten
      sammeln sich Sphingolipide und Cerebroside in den
      oligodendritischen Glia-Zellen an, da das Enzym
      Galactocerebrosidase, das diese Stoffe normalerweise abbaut,
      aufgrund eines Gendefekts nicht expremiert wird. Im Modell
      wurden die Zellen mit dem Sphingolipid Psychosin inkubiert,
      um die Krankheit zu simulieren. Galactocerebrosidase wurde
      den Zellen mithilfe bioabbaubarer Kapseln verabreicht. Die
      Funktionalität des Enzyms wurde mit einem Viabilitätstest
      verifiziert. Zwei Typen von Zellen, der Wildtyp, der das
      Enzym expremierte, und Knockout-Zellen, die das Enzym nicht
      expremierten, wurden verwendet. Die Viabilität der Zellen bei
      Zugabe verschiedener Konzentrationen von Psychosin wurde mit
      und ohne Kapselzugabe bestimmt. Es zeigte sich, dass die
      Kapseln einen gegensätzlichen Effekt auf die zwei Typen von
      Zellen ausübten. Knockout-Zellen erreichten eine höhere
      Viabilität nach Zugabe der Enzym-Kapseln, wohingegen
      Wildtyp-Zellen eine leicht geringere hatten. Der
      diagnostische Part des Modells bestand in der Messung des
      lysosomalen pH-Wertes während der Inkubation mit Psychosin.
      Das zeitaufgelöste pH-Profil der beiden Zelltypen unterschied
      sich dabei. Daher kann die Entscheidung, ob Kapseln zur
      Therapie verabreicht werden sollten, von der Diagnose durch
      die pH-Messung abhängig gemacht werden. Dies kann man als in
      vitro-Beispiel für Theranostik betrachten, der Kombination
      aus Therapie und Diagnose.