Supramolecular Assemblies of Hybrid Nanoparticles towards Biomedical Applications

Abstract

In this dissertation the development process of magnetoresponsive polyelectrolyte microcapsules for controlled release is described. Given various magnetic nanoparticles (MNPs), being known as heat-mediators for hyperthermia therapy, their exploitability as trigger sources for capsule opening in vitro is evaluated initially. To achieve high heat-generation efficiency, MNPs with different shapes and sizes ranging from 10 nm to 147 nm were prepared. The most promising representatives, showing extremely high specific absorption rate (SAR) values of up to more than 1000 W/g, were integrated into the microcapsules. At that, carrier functionalization is achieved by insertion of the MNPs into the shell. Afterwards, AMF-triggered controlled release of the encapsulated cargo is monitored inside different cancer cell lines and the corresponding pass rates are evaluated. To visualize the cargo release, a highly fluorescent dye molecule (calcein) is loaded into the cavity. Different encapsulation strategies are adjusted and optimized to minimize premature and maximize triggered release. In the presence of AMFs, the MNPs are able to produce sufficient heat to destroy the surrounding polymer shell, leading to dye release from the confined situation inside the capsules towards the cell cytosol. The delivery ratios thereby range in a regime of 10 % or below. A detailed look on the factors hampering heat generation and release during in vitro trials is pointed out subsequently. It provides an explanation for low cargo delivery tendencies of the present system and compares it to an excellently working system: laser-induced opening via infrared radiation treatment. Strong discrepancies in local temperature during illumination are recorded. Accordingly, the first part of this elaboration demonstrates the possibility of magnetoresponsive capsule opening inside living cells under specific circumstances but simultaneously points out the critical restrictions and issues for potential biomedical use. In the second thesis part, laser-induced opening is transferred onto 3D-cell systems. Under use of both plasmonic and magnetic nanoparticles, the possibility of cargo release from PEMCs into single cells being located deeply inside tumor spheroids is tested. While opening of carriers located on the surface is a common technology, the process has only scantly been recorded deeply inside the spheroid centre. To confirm the carrier positioning, differently coloured capsules are distributed across the whole cell bundle and the colour spread is imaged. In this way, just specific capsules in the middle part can be chosen for examination, legitimizing their big distance from the surface. Then, individual PEMCs are illuminated, and cargo movement is imaged. Fluorescent dyes, thereby, enable direct observation of delivery under fluorescence microscopy and allow for simultaneous execution of viability testing. When irradiated by NIR laser-light, opening is also achievable behind tens of micrometres of stacked cells. Multiple runs with independent capsules confirm success and reproducibility of deep-tissue release. Overall, two different trigger-systems for capsule disruption are investigated for release opportunities in living cell systems. It is pointed out that magnetism doesn’t represent an equivalent to established triggers in terms of release due to many unmanageable problems. For its light-responsive counterpart the exploitability is, however, expanded towards deep-level viability examination.

In dieser Dissertation wird der Entwicklungsprozess magnetisch-reaktiver Polyelektrolyt-Mikrokapseln beschrieben. Auf Basis von verschiedenen magnetischen Nanopartikeln (MNPs), die ursprünglich als Hitzequelle für die Therapie mittels Hyperthermie bekannt sind, wird eingangs deren Nutzbarkeit als Auslöser für gesteuertes Öffnen von Kapseln in vitro bewertet. Um hohe Effizienz bei der Hitzeerzeugung zu erreichen sind unterschiedlichst geformte MNPs im Größenbereich von 10 nm bis 147 nm hergestellt worden. Die herausragendsten unter ihnen, welche extrem hohe Werte der Spezifischen Absorptionsrate (SAR) im Bereich bis über 1000 W/g aufweisen, sind in die Mikrokapseln integriert worden. Die Kapseln sind dabei durch die Insertion der MNPs in ihre Hülle funktionalisiert worden. Anschließend wird die Freisetzung aufgenommener Ladung mittels AMF-Bestrahlung in verschiedenen Krebszelllinien bewertet und dargestellt. Um die Freisetzung der Ladung sichtbar zu machen, werden die Kapseln mit einer stark-fluoreszierenden Farbstoffsubstanz (Calcein) beladen. In Anwesenheit von AMFs zeigen die MNPs eine ausreichend starke Hitzegeneration, sodass die sie umgebende Hülle beschädigt und das Farbmolekül vom beschränkten Raum in der Kapsel ins umgebende Zellcytosol freigesetzt wird. Die Freisetzungsrate bewegt sich dabei im Bereich bis maximal 10 %. Im darauffolgenden Abschnitt wird ein detaillierter Blick auf die Faktoren geworfen, die Hitzeerzeugung und Freisetzung in vitro behindern. Zum einen ergibt sich dabei eine Erklärung für die geringen Freisetzungsraten des vorliegenden Systems. Des Weiteren wird ein Vergleich mit einem exzellent arbeitenden System geliefert: Laser-basiertes Öffnen mittels Infrarotbestrahlung. In diesem Zusammenhang werden deutliche Unterschiede in der lokal vorliegenden Temperatur während der Bestrahlung beobachtet. Dementsprechend zeigt dieser Teil der Ausarbeitung die prinzipielle Möglichkeit, Kapseln unter bestimmten Umständen auf magnetische Weise in lebenden Zellen zu öffnen, stellt aber gleichzeitig die kritischen Einschränkungen und Probleme für potenzielle Bioanwendungen dar. Im zweiten Teil der Thesis ist Laser-basiertes Öffnen auf dreidimensionale Zellsysteme transferiert worden. Unter Nutzung von sowohl plasmonischen als auch magnetischen Nanopartikeln wurde die Realisierbarkeit von Ladungsablieferung aus PEMCs tief im Inneren von Tumorsphäroiden untersucht. Während das derartige Öffnen von auf der Oberfläche befindlichen Transporter bereits gängige Praxis ist, gibt es über den Prozess im Zentrum der Sphäroide nur spärliche Aufnahmen. Um ihre Position abzusichern, werden verschiedenfarbige Kapseln über das gesamte Zellbündel verteilt und die komplette Farbverteilung aufgenommen. Auf diese Weise können zur Untersuchung explizit Kapseln im Mittelteil ausgewählt und damit ihre große Distanz zur Oberfläche gewährleistet werden. Einzelne PEMCs werden dann bestrahlt und die Farbstoffbewegung aufgezeichnet. Fluoreszente Farbstoffe ermöglichen dabei eine direkte Beobachtung mittels Fluoreszenzmikroskopie und erweitern das Einsatzgebiet auch um gleichzeitige Analyse der Lebensfähigkeit. Unter NIR-Bestrahlung zeigt sich auch hinter Dutzenden von Mikrometern an gestapelten Zellen eine erfolgreiche Freisetzung. Mehrere Durchläufe mit unabhängigen Kapseln belegen Erfolg und Reproduzierbarkeit. In Summe werden zwei verschiedene Auslöser-Systeme zur Kapselöffnung in lebenden Zellen untersucht. Es wird gezeigt, dass Magnetismus aufgrund von unkontrollierbaren Problemen mit der Freisetzung in diesem Bereich kein Äquivalent zu etablierten Auslösesystemen darstellt. Das lichtabhängige Gegenstück wird dagegen um die Untersuchung der Zelllebensfähigkeit in tieferliegenden Anwendungsgebieten erweitert.