Integration of protein containers into microgel systems for potential drug release and delivery

• Integration von Proteincontainern in Mikrogelsysteme zur potenziellen Wirkstofffreisetzung und -abgabe

Budiarta, Made; Beck, Tobias (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor); Simon, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Anwendung von Ferritincontainern als vielversprechender Wirkstoffträger wird durch proteolytischen Abbau im systemischen Kreislauf behindert. Hier wird eine neuartige Strategie zur Verbesserung der Stabilität von Ferritincontainern gegen Protease vorgestellt: Ferritincontainern wurden in das polymere Netzwerk von Polyelektrolyt-Mikrogelen integriert. Zunächst wurde Ferritin mit Fluorophoren und Nanopartikeln (NPs) markiert, um ihre Integration und Freisetzung aus Mikrogelen mittels Fluoreszenzmikroskopie bzw. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verfolgen zu können. Um eine hohe Fluorophorbeladung und -ausbeute zu erzielen, wurde eine neue Einkapselungsstrategie entwickelt, die auf den Cystein-Maleimid-Kupplungsreaktionen basiert. Die Integration von Ferritin in Mikrogelsysteme erfolgte durch die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den geladenen Comonomeren der Mikrogele und den Oberflächenladungen des Ferritins. Zunächst wurde Ferritin in Mikrogele mit zufällig verteilten ionisierbaren Gruppen integriert. Jedoch führte die Integration zur Ausfällung, und die resultierenden Mikrogele konnten nicht von dem überschüssigen Ferritin getrennt werden. Daher wurde als nächstes Ferritin in ein geladenes Kern-Neutral-Schale-Mikrogel integriert. Obwohl die neutrale Schale eine Ausfällung verhinderte, konnte Ferritin aus den Mikrogelen austreten, sodass das Ferritin zwischen den Mikrogelen inhomogen verteilt war. All diese Probleme wurden gelöst, als Ferritin während der Mikrogel-Synthese integriert wurde. Die Integration war sehr effektiv, da etwa 80% der verwendeten Ferritincontainern in die Mikrogele integriert wurden. Um die Freisetzung von Ferritin aus den Mikrogelen zu ermöglichen, wurde bei der Synthese ein säureabbaubarer Vernetzer eingesetzt. Es wird gezeigt, dass etwa 85% bzw. 50% des integrierten Ferritins in Puffer mit pH 2.5 bzw. 4.0 schnell freigesetzt werden können. Ein vollständiger Abbau der Mikrogele wurde jedoch aufgrund der Selbstvernetzung von N-Isopropylacrylamid (NIPAM) nicht beobachtet. Schließlich bewies ein proteolytischer Abbau durch Chymotrypsin, dass die Mikrogele Ferritin vor proteolytischem Abbau schützen konnten. Für die Anwendung zum Wirkstofftransport wurde das Krebsmedikament Doxorubicin (DOX) in verschiedene Ferritin-Varianten eingekapselt. Die resultierenden DOX-Ferritin-Varianten wurden dann in das Mikrogel-System integriert. Die Zellexperimente zeigen jedoch, dass die Zytotoxizität von DOX-Ferritin-Varianten geringer als die von freiem DOX ist. Ein möglicher Grund ist die Anheftung von DOX-Molekülen auf der Oberfläche von Ferritin-Käfigen, die die Ferritinaufnahme in die Zellen behindern. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um dieses Problem zu bestätigen und zu überwinden. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal ein Ferritincontainer-Mikrogel-System entwickelt. Interessanterweise konnte die gleiche Synthese angewandt werden, um Ferritincontainer mit unterschiedlichen Inhalten in die Mikrogele zu integrieren. Dieser Ansatz beschreibt eine innovative, bisher nicht in Betracht gezogene Strategie zur Integration verschiedener Materialien in die Mikrogele. Damit erweitert diese Arbeit die Anwendungsbereiche für kolloidale Mikrogelsystem.