Synthesis of polymeric particles with biological recognition motifs for medical applications

Anwar, Naveed; Möller, Martin (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Die Motivation Polymerpartikel im Rahmen biomedizinischer Anwendungen zu untersuchen, resultiert aus ihren spezifischen und einfach abzustimmenden Materialeigenschaften. Sie weisen annehmbare physikalische Stabilität, sowie Lichtbeständigkeit auf und können einfach funktionalisiert werden, um ansprechende und charakteristische Einheiten einzuführen. Polymerpartikel finden in der Sensorik, Zellmarkierung, langfristigen Bildmarkierung, Arzneimittelabgabe und vielen anderen Bereichen Anwendungen. Die Anwendbarkeit dieser Partikel ist aufgrund ihrer hohen Polydispersität und mangelnden Funktionalisierung, als auch wegen ihres inerten Charakters eingeschränkt. In dieser Dissertation wurden mehrere einfache Methoden der Herstellung von Polymerpartikeln mit enger Größenverteilung beschrieben. Zudem wurden verschiedene Wege zum Einführen der jeweiligen Funktionalitäten erforscht.In dieser These etablierten wir eine sehr vielseitige Methode zur Herstellung von extrem hellen und schaltbaren konjugierten Polymerpartikeln (CPPs). Aufgrund ihrer reversiblen Schalteigenschaften, amorphen Morphologie und ihrer hohen Monodispersität können diese Partikel leicht in selbstorganisierter schaltbarer Photonik angewandt werden, Wir zeigten, dass ein Anstieg der Fluoreszenzintensität mit einer Änderung der trans-zu-cis-Konformation einhergeht. Diese Partikel könnten als schaltbare Sonden und als Marker für super aufgelöste Bildmarkierung im biomedizinischen Bereich eingesetzt werden. In dem nachfolgenden Kapitel demonstrierten wir einen einfachen Ansatz zur Herstellung von monodispersen CPPs unter Verwendung der Sonogashira Dispersionspolymerisation, die Acetylen-Einheiten auf der Oberfläche tragen. Diese Acetylen-Gruppen werden mit biologischem Erkennungsmotiv durch Thiol-Alkin-Klick-Chemie funktionalisiert. Wir wandten die resultierenden funktionellen Partikel als Fluoreszenzsonden für die Bildgebung von Edothelzellen an. Dieses Edothelzellen nehmen die Partikel über Rezeptor-vermittelte Endozytose auf. Um diese Partikel zukünftig in-vivo zu verwenden, werden wir Nah-IR-Strahler entwickeln, um Anregung und Fluoreszenzdetektion in den gewebetransparenten Systemen zu ermöglichen. Wir haben gezeigt, dass die Teilchen an αVβ3 Integrinen auf aktivierten Endothelzellen unter Strömungs- und statischen Zellkulturbedingungen binden und dabei das Potential der Partikel als nicht-bleichende Nah-Infrarote Tumorsonden und theranostisches Mittel zeigen. In einer anderen Studie synthetisierten wir auf Polyethylengylkol (PEG) basierte Mikrogele zur Darstellung von Glykanen in vielseitigen Materialien. Es wurden monodisperse Mikrogele mit variabler Größe, verschiedenen funktionellen Einheiten, d.h. GlcNc, LacNAc, Galili, sowie zahlreiche Konzentrationen dieser Glykane hergestellt. Diese Mikrogele können an Lektinen und Lektin-Domänen von Toxinen (wie TcdA des Clostrium difficile Bakterium) durch spezifische Wechselwirkungen gegenüber den Glykanen binden. Wir konnten spezifische Wechselwirkungen zwischen den Glykanen und den Proteinen mittels FACS-Analyse nachweisen. Die Mikrogele erlauben eine Oberflächendiffusion von 124 kDa, wenn die Porengröße für die Proteine groß genug ist. Dieses System kann möglicherweise ein idealer Ersatz für derzeit verfügbare antimikrobielle Therapien sein, da es direkt die Entzündung behandelt, während das Toxin eine Störung der Darmflora verhindert. Die Vielseitigkeit des Systems beruht auf dem Ersetzen des Glykans durch verschiedene Linker und Biomoleküle. Insgesamt bietet die Synthese von hoch selektiven Mikrogelen für diverse Bioremediationen eine Vielzahl von Anwendungen.