Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-1720
Authors: Müller, Laura
Title: Using the interactions of designed siRNA and DNA drug carrier systems with human blood plasma and its components for controlled drug delivery
Online publication date: 27-Sep-2017
Year of first publication: 2017
Language: english
Abstract: The development of nanomaterials for biomedical application has become of great interest in the last decades. Especially in cancer therapy, the encapsulation of drugs in a carrier provides many advantages over administering active ingredients only. The nanomaterials are designed to guide the anti-cancer drug specifically to the tumor tissue. This way, the cytotoxic side effects that occur during chemotherapy can be reduced. In addition, the active compound itself can be protected from degradation. But still, the application of nanomaterials in cancer treatment is limited due to some drawbacks in understanding and foreseeing the physiological responses a nanocarrier induces upon administration. So far, nanocarriers are usually applied intravenously. This means, that the carrier system immediately comes into contact with the human blood and the therein dissolved proteins. This results in the rapid formation of a protein corona on the nanomaterial´s surface that alters its chemical and physical properties in a significant manner. In this study, the influence of single proteins as well as protein mixtures on the physicochemical properties of polystyrene particles as a model system is investigated. The single proteins as well as protein mixtures that are exempted from the most abundant proteins albumin and immunoglobulin G were obtained from the fractionation of human blood plasma. Incubation of the respective particles in defined protein fractions was used to form predetermined protein coronas that were further investigated in regards of stabilizing or destabilizing effects on a particle under in vivo conditions using dynamic light scattering. In addition, the effect of a given protein corona on cellular uptake by macrophages was monitored. This way, the possibility of stabilizing particles against aggregation via pre-coating was introduced. The concept of pre-coating nanomaterials for tailoring their stability against aggregation was broadened in order to overcome the difficulties that occur because of a fluctuation in the blood serum proteome composition among different individuals. Next, the focus was put on the transferability of different in vivo animal models to humans. It turned out, that the stability of polystyrene as well as dextran- and starch-coated particles against aggregation strongly depends on the protein source. After screening the mentioned factors that influence the protein corona formation by the use of polystyrene particles as a model system, liposomes for siRNA delivery to the liver have been investigated and optimized regarding their stability against aggregation. In summary, the closer look that is taken on the different factors that influence the physicochemical properties of a nanomaterial after exposure to human blood offers several opportunities of pre-in vivo screening methods for novel nanomaterials. In addition, it introduces possible ways of how the interactions between nanomaterials and proteins can be used for stabilization against aggregation.
Die Entwicklung von Nanomaterialien für die biomedizinische Anwendung hat in den letzten Jahren an enormer Bedeutung gewonnen. Besonders in der Therapie von Krebserkrankungen bietet das Verpacken von Wirkstoffen in einem Träger viele Vorteile gegenüber der Administration des Wirkstoffes alleine. Nanomaterialen sind aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften dazu geschaffen, den Wirkstoff gezielt an den Wirkort zu transportieren. Auf diese Weise können die zytotoxischen Nebenwirkungen, die während einer Chemotherapie auftreten, reduziert werden. Darüber hinaus wird durch das Verpacken auch der Wirkstoff an sich vor Abbau geschützt. Nichts desto trotz ist die Anwendung von Nanomaterialien in der Krebstherapie limitiert, da die physiologischen Prozesse, die ein Nanotransporter nach Administration hervorruft, nur schwer prognostiziert werden können. Bisher werden Nanotransporter üblicherweise intravenös verabreicht. Das bedeutet, dass diese sofort mit dem menschlichen Blut und den darin befindlichen Proteinen in Berührung kommen. Dies führt zur raschen Ausbildung einer Proteinhülle auf der Oberfläche der Nanomaterialien, welche deren chemischen und physikalischen Eigenschaften stark verändert. Diese Studie untersucht den Einfluss einzelner Proteine sowie Proteinmischungen auf die physikochemischen Eigenschaften von Polystyrrol-Partikeln als Modellsystem. Die Einzelproteine sowie Proteinmischungen, die Albumin- bzw. IgG-frei sind, wurden durch die Fraktionierung von menschlichem Blutplasma gewonnen. Die Inkubation der genannten Partikel in klar definierten Proteinmischungen wurde genutzt, um eine vorherbestimmte Proteinhülle auf der Partikeloberfläche auszubilden. Diese „künstliche“ Proteinhülle wurde im Anschluss untersucht im Hinblick auf stabilisierende bzw. destabilisierende Wirkung auf die Nanopartikel unter in vivo-Bedingungen mittels dynamischer Lichtstreuung. Zusätzlich wurde der Effekt der gegebenen Proteinhülle auf die Zellaufnahme in Makrophagen überprüft. Es konnte gezeigt werden, dass eine Stabilisierung von Partikeln im Hinblick auf das Aggregationsverhalten möglich ist, indem man Partikel mit bestimmten Proteinen vorbeschichtet. Das Konzept der Partikelbeschichtung zur Stabilisierung gegenüber Aggregation wurde ausgedehnt, um die Schwierigkeiten zu überwinden, die die unterschiedliche Blutserumzusammensetzung von verschiedenen Individuen birgt. Ein nächster Fokus wurde auf die Übertragbarkeit verschiedener in vivo-Modelle auf den Menschen gelegt. Es zeigte sich, dass sowohl das Aggregationsverhalten von Polystyrrolpartikeln, als auch jenes von Dextran- und Stärke-umhüllten Partikeln sehr stark von der Proteinquelle abhängt. Nachdem einzelne Aspekte, die Einfluss auf die Proteinadsorption auf Partikeln ausüben, untersucht wurden, wurde das Modellsystem ausgetauscht gegen liposomale Systeme, die dem siRNA-Transport dienen. Das Aggregationsverhalten der Liposomen bzw. Lipoplexe wurde mittels dynamischer Lichtstreuung untersucht und optimiert. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass verschiedene Einflussfaktoren für die physikochemischen Eigenschaften von Nanomaterialien nach Exposition ins menschliche Blut gezielt untersucht wurden. So wurden viele Möglichkeiten aufgezeigt, welche zur Evaluation eines Nanomaterials vor in vivo-Versuchen herangezogen werden können. Zusätzlich wurden Optionen aufgezeigt, wie die Wechselwirkung von Proteinen mit Nanomaterialien gezielt zur Stabilisierung genutzt werden kann.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1720
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000015243
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XII, 208 Seiten
Appears in collections:JGU-Publikationen

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