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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-46481
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4648/


PEO-ligand design for biofunctionalisation of hydrophobic nanoparticles and their use in theragnostics

PEO-Liganden Design für die Biofunktionalisierung von hydrophoben Nanoteilchen für den theragnostischen Einsatz

Pöselt, Elmar

Originalveröffentlichung: (2009) E. Pöselt, S. Fischer, S. Förster, H. Weller, Langmuir 2009, 25, 13906.
pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Deutsch): Nanoteilchen, Ligandensysteme, Biofunktionalisierung
Basisklassifikation: 35.22
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Weller, Horst (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.11.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 18.10.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Hinsichtlich der Bioapplikation von Nanoteilchen wurden in der vorliegenden Doktorarbeit unterschiedliche amphiphile Liganden beschrieben, die sich durch Rigidität, Stabilität und Funktionalität auszeichnen. Als gemeinsames Strukturmotiv verfügen die hier dargestellten Liganden allesamt über einen Polyethylenoxid (PEO) Block, auch unter der Bezeichnung Polyethylenglycol (PEG) geläufig, der aufgrund seiner Biokompatibilität und Repressionen von unspezifischen Wechselwirkungen in biologischen Medien gewählt wurde. Die terminale Funktionalisierung der Liganden wurde durch Wahl eines entsprechenden Inititators für die Inititation der Polymerisation von Ethylenoxid oder durch spätere chemische Modifikation erzielt.
Unter den Ankergruppen zeichnete sich verzweigtes Polyethylenimin (PEI) aus, das je nach durchschnittlichem Molekulargewicht über eine hohe Anzahl an Aminen verfügt. Durch die Mehrfach-Bindung an die Nanoteilchenoberfläche konnte eine verbesserte Stabilität erzielt werden. Die primären Amine lassen sich zudem durch Carbondisulfid in Dithiocarbamate überführen, die als Ankergruppen fungieren können und aufgrund der Mesomerie-Stabiliserung im Vergleich zu einfachen Thiol-Gruppen eine höhere Stabilität gegen Oxidation besitzen. Die Oxidation von Thiolgruppen führt zur Bildung von Disulfiden, die bis auf Goldnanoteilchen keine hohe Bindungsstärken zu Nanoteilchen aufweisen.
Zwecks weitere Interaktionen, die der Stabilisierung der Ligandenschale zuträglich sind, zu ermöglichen, wurde als weiterer Polymerblock zwischen PEI und PEO Polycabrolacton (PCL) gewählt. Das somit synthetisierte Triblockpolymer zeichnet sich durch einen hohen Grad an Wechselwirkungen aus. Einerseits kommt es zu vielseitigen hydrophoben Interaktionen zwischen den hydrophoben PCL Blöcken des Triblockpolymer sowie zwischen den Triblockpolymeren und den aus der Nanoteilchsynthese stammenden Liganden, andererseits treten Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Aminen des PEI und den Estergruppen von PCL auf. Diese Interaktionen werden durch eine enge Packung des hydrophoben Segments geschürt, welches die Grenzfläche zum wässrigen Millieu zu verringern trachtet. Die Integration eines hydrophoben Ligandensegments ermöglicht hierbei nicht nur Stabilisierung der Ligandenschale sondern verhindert die Diffusion von Wasser an die Nanoteilchenoberfläche.
Mittels der Kombination eines aminofunktionalisierten Polyisopren (PI) Liganden mit einem amphiphilen Liganden, bestehend aus einem PI und einem PEO Block, konnte eine Passivierung der Nanoteilchen und eine kovalente Quervernetzung der Ligandenschale bewirkt werden. Somit konnte die Beständigkeit der Ligandenschale noch gesteigert werden.
Die Ligandenanlagerung wurde durch Selbstorganisation der amphiphilen Liganden erreicht und bietet die Möglichkeit der Verkapselung unterschiedlichster hydrophoben Komponenten. Somit konnten nicht nur unterschiedlichste Nanoteilchen durch die Liganden verkapselt werden, sondern auch weitere hydrophobe, organische Komponenten miteingebettet werden. Dazu gehören Fluoreszenzfarbstoffe, Wirkstoffe und radioaktive Moleküle.
Die vielfältigen, funktionellen Gruppen der hydrophilen, äußeren Schale ermöglichen unterschiedlichste Kopplungsreaktionen. Es konnten dadurch nicht nur hydrophile Moleküle wie Chemotherapeutika, Fluoreszenzfarbstoffe und Biomoleküle gekoppelt werden, sondern auch weitere Nanoteilchen. Aufgrund der Möglichkeit, dass hydrophobe Moleküle miteingekapselt und hydrophile Moleküle vor und/oder nach der Ligandenanlagerung gekoppelt werden können, konnten Nanokomposite hergestellt werden, die vielfach detektierbar sind und zugleich als Vehikel für Medikamente oder für die Gentherapie dienen können (Theragnostik).
Die PI-b-PEO Verkapselung von Nanoteilchen wies eine sehr geringe Cytotoxizität und keine unspezifische Aufnahme von HT29 Zellen auf. Mithilfe der Modifikation der Nanokomposite durch Antiköper konnte anhand von Zellexperimenten in vitro das Ausbleiben von unspezifischen Wechselwirkungen dokumentiert werden. Auch in der Tumordiagnostik in vivo bewährten sich die Nanokomposite mit einem hydrodynamischen Durchmesser <60 nm (entsprechend DLS, Intensity PSD) durch hohe Zirkulationszeiten und konnten trotz Applikation von Mengen <100 pmol im Tumor nachgewiesen werden.
In Bezug auf Vereinfachung und Hochskalierung des Phasen-transfer von Nanoteilchen konnte die Emulsionpolymerisation mit dem Emulgator Tween®80 entwickelt werden. Auf diesem Wege kann die Ligandenschale von Nanoteilchen direkt in Wasser durch Polymerisation in Emulsionspartikel erzielt werden.
Somit konnte nicht nur der Medizin die Verwendung von Nanoteilchen zugänglich gemacht und Nanokomposite mit vielfältigen Eigenschaften generiert, sondern auch Möglichkeiten der Vereinfachung des Phasentransfers aufgezeigt werden.
Kurzfassung auf Englisch: Concerning bio-application of nanoparticles different amphiphilic ligands could be synthesized in this doctoral PhD thesis, which feature stability, rigidity, and functionality. As common structural motif possess all here depicted ligands of a poly(ethylene oxide) (PEO) block. This polymer is also known as poly(ethylene glycol) (PEG) and was chosen, because of the high degree of biocompatibility and repressions of unspecific interactions in biological media. The terminal functionalisation of the ligands was attained by an appropriate initiator for the initiation of the polymerization of ethylene oxid or by subsequent chemical modification.
Concerning the anchor group poly(ethylene imine) (PEI) shows an outstanding performance due to the high number of amines subject to its average molecular weight. As a result of multi-binding to the nanoparticle surface an enhanced stabilization of the ligand shell is achieved. The primary amines can be converted via carbondisulfid to dithiocarbamates, which function as anchor groups. Due to the mesomerism dithiocarbamates feature a higher stability against oxidation in opposite to other thiols. The oxidation of thiols leads to the formation of disulfids, which have no high binding strength to metal nanoparticle surfaces except for gold nanoparticles.
Concerning further interactions, which are beneficial for the stabilization of the ligand shell, as further polymer segment poly((ε-caprolactone) (PCL) was integrated between PEI and PEO. This synthesized triblockpolymer features a high degree of interactions with nanoparticle surfaces. On the one hand versatile hydrophobic interactions occur between the hydrophobic PCL blocks of the triblockpolymer with further triblockpolymers and the hydrophobic ligands from nanoparticle synthesis; on the other hand hydrogen bonds are formed between the amines of PEI and the ester groups of PCL. These interactions are forced by a dense package of the hydrophobic segments, which strive to minimize the interface to the aqueous milieu. The integration of a hydrophobic ligand segment allows hereby not only the stabilization of the ligand shell, but also circumvents the diffusion of water to the nanoparticle surface.
Using the combination of an amino-functionalized polyisoprene (PI) ligand with an amphiphilic ligand, consisting of a PI and PEO block, a passivation of the nanoparticle and a covalent crosslinkage of the ligand shell could be produced. Thus the consistency of the ligand shell was increased considerably.
The ligand attachment was achieved by self-assembly of the amphiphilic ligands and offers the possibility to encapsulate different hydrophobic compounds. Thereby not only different nanoparticles can be encapsulated, but also further hydrophobic, organic compounds co-encapsulated. Among those organic dyes, drugs and/or radioactive molecules can be.
The multifaceted, functional groups of the hydrophilic, outer shell facilitate various coupling reactions. Thus not only hydrophilic molecules such as chemotherapeutics, dyes and biomolecules could be attached, but also further nanoparticles. Because of the option to coencapsulate hydrophobic compounds and the possibility that hydrophilic molecules before and/or after ligand attachment can be coupled, nanocomposites could be generated, which are multiple detectable and can serve simultaneously as vehicles for drugs or gene therapy (theragnostics)
The PI-b-PEO packing of nanoparticles yielded in a very low cytotoxicity and no unspecific uptake by HT29 cells was detectable. Via the modification of the nanocomposites with antibodies and their application in the basis of cellincubation experiments in vitro the absence of unspecific interactions could be documented. Also in tumour-diagnostics in vivo the nanocomposites (amount of <100 pmol) with a hydrodynamic diameter <60 nm (according to DLS, intensity PSD) featured long circulation times and could be detected in the tumour.
For upscaling and simplification of the ligand exchange emulsionpolymerisation using Tween®80 as emulsifier could be implemented. In this approach the polymer-shell is created in emulsion particles around the nanoparticles directly in water.
Accordingly manifold ways for bio-functionalisation of nanoparticles could be demonstrated, generating nanocomposites with multifaceted properties. Thereby nanoparticles could be made accessible for biochemical approaches and their applicableness expanded extensively.

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