Authors:	Steiert, Elena
Title:	Dynamic Protein-based Nanoparticles for Drug Delivery Applications
Online publication date:	25-Feb-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	Proteins are natural polymers, which depict promising materials for the preparation of nanoparticles due to their biocompatibility, biodegradability and low toxicity. Moreover, proteins are attractive substances as a result of the simplicity and versatility in their surface modification using bioorganic chemistry. This PhD thesis presents the development of several different protein-based nanoparticle systems, composed of high surface PEGylated enzymes. The modification changes the enzyme solubility behavior and allows a particle formation by an emulsion-based preparation technique. This process preserves the enzyme structure and activity and the prepared particles need no cross-linking in order to be stable. The preparation technique was advanced to approve the encapsulation of large, hydrophilic enzymes which can act as biotherapeutics in bacterial infection treatment. The encapsulation of the antibacterial payload leads to no activity impairment and the payload can sustained release at the local area of bacterial infections. These results open up the possibility to transfer this particle preparation technique universally to various enzymes as particle material and the encapsulation of diverse hydrophilic payloads. Additionally, the emulsion technique was applied in this work to develop stimuli-responsive protein-based nanoparticle systems, which allows a triggered payload release. An acid-sensitivity was obtained through cleavable vinyl ether groups distributed within the PEG backbone. The prepared particles disassembled in acidic conditions, as it occurs for example in the endo-lysosomal pathway, while they were stable in a physiological neutral environment. After the encapsulation of a hydrophilic payload into these nanoparticles, an acid triggered payload release could be shown. Furthermore, a nanoparticle system was developed with a redox-responsivity, which was obtained using a disulfide linker between the enzyme and PEG. The linker has the additional property of degrading itself after the disulfide cleavage. The prepared nanoparticles have the ability to decompose in reductive conditions, while the nearly unmodified enzyme can be regained due to the linker property. In the future, this enzyme recovery from the particle material could be exploited, that the protein-based nanoparticles itself can be used as a biotherapeutic agent. Proteine sind natürliche Polymere, die aufgrund ihrer Biokompatibilität, ihrer biologischen Abbaubarkeit und ihrer geringen Toxizität vielversprechende Materialien für die Herstellung von Nanopartikeln darstellen. Darüber hinaus sind Proteine attraktive Substanzen, da sie durch die Anwendung der bioorganischen Chemie einfach und vielseitig oberflächenmodifiziert werden können. In dieser Arbeit wird die Weiterentwicklung eines proteinbasierten Nanopartikelsystems präsentiert, das aus Enzymen besteht, die mit mehreren Polyethylenglykol (PEG)-Ketten modifiziert wurden. Die Modifikation verändert das Löslichkeitsverhalten des Enzyms und ermöglicht dadurch eine Partikelbildung durch eine Emulsions-basierte Herstellungstechnik. Dieses Verfahren bewahrt die Enzymstruktur und -aktivität und die hergestellten Nanopartikel müssen nicht vernetzt werden, um stabil zu sein. Die Herstellungstechnik wurde weiterentwickelt, um die Einkapselung großer, hydrophiler Enzyme zu gewährleisten, die als Biotherapeutika bei der Behandlung von bakteriellen Infektionen wirken können. Die Einkapselung der antibakteriellen Wirkstoffe führt zu keiner Beeinträchtigung ihrer Aktivität und die Substanzen können in lokaler Nähe von bakteriellen Infektionen über einen längeren Zeitraum freigesetzt werden. Diese Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit, diese Partikelpräparationstechnik universell auf verschiedene Enzyme als Partikelmaterial zu übertragen und verschiedene hydrophile Nutzlasten einzuschließen. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit die Emulsionstechnik genutzt, um Protein-basierte Nanopartikelsysteme zu entwickeln, die sich durch bestimmte externe Reize auflösen können, wodurch eine kontrollierte Wirkstofffreisetzung ermöglicht wird. Eine Säureempfindlichkeit wurde durch säurespaltbare Vinylethergruppen erhalten, die im PEG-Rückgrat verteilt waren. Die hergestellten Partikel konnten unter sauren Bedingungen, wie sie beispielsweise in dem endo-lysosomalen Weg auftreten, zerlegt werden, während sie in physiologisch neutraler Umgebung stabil waren. Nach dem Einschluss einer hydrophilen Modellverbindung konnte die durch Säure ausgelöste Wirkstofffreisetzung nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde ebenso ein Nanopartikelsystem mit Redox-Empfindlichkeit entwickelt, das unter Verwendung eines Disulfid-Linkers zwischen dem Enzym und PEG erhalten wurde. Der Linker besitzt die zusätzliche Eigenschaft sich nach der Disulfid Spaltung selbst aufzulösen. Die hergestellten Nanopartikel konnten unter reduzierenden Bedingungen abgebaut werden, während durch die Linkereigenschaft das nahezu unmodifizierte Enzym zurückgewonnen wurde. In Zukunft könnte diese Zurückgewinnung des Enzyms aus dem Partikelmaterial genutzt werden, um die proteinbasierten Nanopartikel selbst als Biotherapeutikum einzusetzen.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3099
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000034367
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	XVI, 170 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen