Reactive stimuli-responsive poly(vinyl lactam) copolymers for design of nanogels based protein and drug carriers

  • Reaktive stimulationsresponsive Poly(vinyllactam)-Copolymere zur Ausbildung nanogel-basierter Protein- und Wirkstoffträger

Peng, Huan; Pich, Andrij (Thesis advisor); Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese, Charakterisierung und Anwendung von (biohybriden) Nanogelen aus wasserlöslichen Poly(N-Vinyllactam)-Copolymeren mit reaktiven Seitengruppen. RAFT (Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) Copolymerisationen von Methacrylsäure-N-hydroxysuccinimidester mit N-Vinylamid-Derivaten (N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylpiperidon und N-Vinylcaprolactam) wurden erfolgreich durchgeführt, wobei Methyl-2-(Ethoxycarbonothioylthio)-propanoat als Kettenübetragungsreagenz (CTA) diente.Biohybride Nanogele wurden durch chemisches Vernetzen der wasserlöslichen reaktiven Copolymeren poly(N-Vinylpyrrolidon-co-N-Methacryloxysuccinimid) mit Proteinen wie "enhanced green fluorecent protein" (EGFP) und Cellulase aus einer Wasser-in-Öl-Emulsion hergestellt. So wurden biofluoreszierende Nanogele erhalten, die mit unterschiedlichen Mengen an EGFP vernetzt waren. Die biokatalytische Aktivität der Cellulase-konjugierten Nanogele (CNG) kann über die Vernetzungsdichte eingestellt werden. Circulardichroismus-Spektren (CD) und Untersuchungen des Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (FRET) geben Aufschluss über den Mechanismus, der dem Einfluss der Vernetzungsdichte auf die katalytische Aktivität der Biohybridkolloide zu Grunde liegt. Die Biohybridnanogele zeigten nach dreiwöchiger Lagerung bei Raumtemperatur erhöhte Stabilität im Vergleich zur freien Cellulase.Thermo- und redoxsensitive Nanogele aus N-Vinylcaprolactam (VCL) und N-Succinimidylmethacrylat (Suma) vernetzt mit Diallyldisulfid wurden nach einem einfachen und direkten Verfahren hergestellt, wobei der Teilchendurchmesser zwischen 200 nm und 1.1 µm eingestellt werden konnte. Doxorubicin (DOX) wurde durch Kopplung mit Succinimidgruppen bei milden Bedingungen kovalent an das Nanogelnetzwerk gebunden um "Prodrug"-Nanogele zu erhalten. Das System zeigte bei intracellularen Studien ein nachhaltiges Freisetzungsprofil und eine hohe anti-Tumoraktivität.Eine Reihe neuer mit Pyridyldisulfid (PDS) funktionalisierter statistischer N-Vinyllactamcopolymerer wurde mittels RAFT-Polymerisation hergestellt. Die PDS-funktionalisierten reaktiven Polymere sind modifizierbar durch eine Reihe von Thiolverbindungen über eine Thiol-Disulfid Austauschreaktion bei milden Bedingungen. Kontaktwinkelmessungen und Untersuchungen mittels Fluoreszenzmikroskopie zeigten, dass reaktive Filme PDS-funktionalisierter Copolymerer ein einfaches, direktes und umweltfreundliches Oberflächen-Ingenieurwesen in wässriger Lösung ermöglichen, das die Zellanhaftung und das Wachstum kontrolliert und damit die Bedingung für spezielle Anwendungen erfüllt.Redox-sensitive polymere Nanogele wurden durch in situ Vernetzung PDS-funktionalisierter Poly(N-Vinylpyrrolidone) synthetisiert. Cellulase als repräsentatives Protein wurde in den Nanogelen (PNG1 und PNG2) verkapselt. Die enzymatische Aktivität wurde durch die Verkapselung im Nanogel stark reduziert, während sie in 10 mmolarer DTT-Lösung rasch anstieg. FRET-Experimente belegten, dass die wiedergewonnene enzymatische Aktivität wesentlich auf die durch Reduktion hervorgerufene Spaltung des Disulfidnetzwerks bewirkt wird, die letztlich zur Freisetzung des Proteins führt.Eine Reihe wohldefinierter, mit primären Aminogruppen funktionalisierter statistischer Copolymerer aus N-Vinyllactam Monomeren und N-Vinylformamid (VFA) wurden erfolgreich über eine RAFT-Polymerisation hergestellt. Wasserlösliche reaktive Copolymere mit primären Aminogruppen wurden durch kontrollierte Hydrolyse der VFA-Komponenten in alkalischem Medium erhalten. Funktionelle Nanogele wurden in W/O-Emulsionen durch Kopplung der reaktiven Aminogruppen mit mit Diacrylat funktionalisiertem Poly(Ethylenglykol) über eine Michael-Addition dargestellt.Bio-abbaubare Nanogele aus mit primären Aminogruppen funktionalisierten poly(N-Vinylpyrrolidon)-Copolymeren wurden in Wasser-in-ÖL Emulsionen durch Michael-Addition mit einem redox-responsiven Vernetzer hergestellt. DOX-geladene Nanogele zeigten bei 37℃ in Gegenwart von 10 mmolarer Glutathione (GSH) mit zunehmender Vernetzungsdichte eine verminderte Wirkstofffreisetzung. In vitro Studien erzielten in reduktiver Umgebung eine Freisetzung von maximal 85% DOX innerhalb von 24 h, während unter nicht-reduktiven Bedingungen in der gleichen Zeit höchstens 13% freigesetzt wurde. Intracellulare Versuche weisen darauf hin, dass die Freisetzungsrate von DOX durch unterschiedliche Vernetzungsdichte der Nanogele gezielt beeinflusst werden kann. Ein Zellüberlebenstest zeigte die Biokompatibilität der freien Nanogele in einem weiten Konzentrationsbereich, während die mit DOX beladenen Nanogele eine mittlere Anti-Tumoraktivität aufwiesen.

Identifikationsnummern