Polymeric Nanocarriers for  the Visualisation and Quantification of Molecular Release
Creators: name: Eing, Matthias
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: polymer chemistry
3D cell culture
spheroids
drug delivery
tumour targeting
controlled release
molecular release
RAFT
nitroxide
sensing

description: Makromolekulare Konstrukte zur Verabreichung von Chemotherapeutika stellen ein weitläufig etabliertes Konzept im Feld der Krebstherapie dar. Mit einem reichen Angebot ver-fügbarer Strategien zu gerichtetem Transport von anti-Tumor Therapeutika bedarf es nach wie vor eingehender Untersuchung und Quantifizierung von korrekter Lokalisierung und Freisetzung von derartigen makromolekularen Transportern. Die vorliegende Arbeit legt den Fokus auf die Synthese und Evaluierung solcher Systeme. Mit pH-gesteuerten und lichtabhängigen Ansätzen wurden zwei Herangehensweisen zur fluoreszenzbasierten Detektion von Wirkstofffreisetzung eingehend untersucht. Fokus der hier demonstrierten Systeme lag auf der Ausnutzung fluoreszenzlöschender Eigenschaften von Nitroxiden, um ein wellenlängenunabhängiges System zu etablieren.
Der erste Abschnitt der vorliegenden Arbeit setzt sich mit dem Entwurf und der syntheti-schen Umsetzung eines Polymethacrylat-basierten Transportkonstrukts zur Quantifizie-rung von pH-abhängiger Freisetzung auseinander. Eine geeignete Herangehensweise an die Kombination von Nitroxiden und hydrolytisch spaltbaren Hydrazonen, gebunden an PEGylierte Methacrylate ist eingehend beschrieben. Zwei Architekturen wurden untersucht. Eine Strategie basierte auf der Verankerung von Hydrazon und Nitroxid an dersel-ben Glycidylgruppe eines RAFT Copolymers aus Glycidylmethacrylat und Triethylenglycolmethacrylat (TEGMA). Die andere Strategie legte eine statistische RAFT-Copolymerisation von 2,2,6,6-Tetramethyl-4-Piperidylmethacrylat (TMPMA), Hydrazid-vorläufern in Form von tert-butoxycarbonyl-hydrazido Methacrylat (bHMA), und TEGMA zugrunde. Mithilfe letzterer Strategie konnten erfolgreich Polymere mit TEMPO-Seitenketten und freien Hydraziden zur Beladung mit Doxorubicin (Dox) synthetisiert werden. Der fluoreszenzbasierte Nachweis pH-kontrollierter Freisetzung konnte erfolg-reich gezeigt werden. Des Weiteren wurde das Konstrukt erfolgreich in zwei- und drei-dimensionaler Zellkultur auf Aktivität in biologischen Systemen untersucht. Im Zuge der biologischen Untersuchungen wurde ein Ansatz zur computergestützten Auswertung von konfokalen Fluoreszenzmikroskopieaufnahmen erstellt. Die vorgestellte Methode erlaubte nicht nur Quantifizierung der Wirkstoffaufnahme, sondern auch eine Abschätzung der Eindringtiefe fluoreszenter Konstrukte in Tumorsphäroide. Eine Erweiterung der Transporterplattform im Hinblick auf die Coimmobilisierung von Nitroxid und Wirkstoff an derselben Seitenkette eines Polymers einerseits, und die Einbindung eines rotverschobenen zweiten Fluorophors andererseits, wurde basierend auf der Ugi-Reaktion ebenfalls unternommen.
Der zweite Abschnitt dieser Arbeit stellt ein Freisetzungssystem, basierend auf der Nutzung eines Lichtstimulus aus dem sichtbaren Spektrum, vor. Die erfolgreiche Immobilisierung von Pyrenacylsulfid als photolytisch spaltbarer Gruppe und Modellfluorophor in ei-nem, und Amino-TEMPO als fluoreszenzlöschendem Nitroxid konnte erfolgreich gezeigt werden. Das System nutzt ein RAFT-basiertes Copolymer von Methylmethacrylat und Formylphenylmethacrylat zur Bereitstellung einer carbonylfunktionalen Polymerplattform. Das Gesamtkonstrukt wurde in einem eleganten Multikomponentenschritt nach Ugi zu-sammengefügt.
Der dritte und letzte Abschnitt untersucht die Anwendbarkeit der Erkenntnisse aus den ersten beiden Teilen zur Konstruktion eines neuartigen Farbstoffs für optoakustische Bildgebung. Ein mit Cyanin-5 endgruppenfunktionalisiertes RAFT poly-TMPMA Kon-strukt wurde erfolgreich synthetisiert und im Hinblick auf seine fluroeszenten Eigenschaf-ten untersucht.
Zusammenfassend stellt diese Thesis zwei vielversprechende Werkzeuge zur Visualisierung und Quantifizierung molekularer Freisetzung von polymerbasierten Transporterkonstrukten vor. Darüber hinaus wurde eine Anwendbarkeit in biologischen Systemen erfolgreich demonstriert.