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dc.contributor.authorThiramanas, Raweewan
dc.date.accessioned2020-04-30T06:59:31Z
dc.date.available2020-04-30T08:59:31Z
dc.date.issued2020
dc.identifier.urihttps://openscience.ub.uni-mainz.de/handle/20.500.12030/3117-
dc.description.abstractNanotechnology has emerged as a powerful tool for many biomedical applications including diagnostics, therapy, imaging, and sensing. Among them, nanocapsules are some of the most interesting nanostructures and known to be commonly used for loading therapeutic agents or fluorescent dyes in order to have curing effects or tracking the capsule, respectively. The main function of the nanocapsule is to protect and transport cargo to target cells. It can also be created to enable release of a functional payload according to the stimuli used for a controlled release platform. Furthermore, responsive stimuli can be used for triggering the sensing unit and then emitting the signal as a reporter in the sensor system. Therefore, critical cytotoxicity must be determined before applying the loaded nanocapsules to the cells. Internalization of the capsule inside the cells must subsequently be investigated by flow cytometry and confirmed by confocal laser scanning microscopy. Finally, the specific functions/properties of the nanocapsules are verified. With the aim of utilizing silica nanocapsules (SiNCs) to carry siRNA to CD8 T-cell, an immune cell destroying virus-infected cells and cancer, a novel silica core-shell NC with various physicochemical properties including sizes, core hydrophilicities, surface charges, and surface functionalizations as well as serum concentrations in a culture medium were systematically examined for their effect on toxicity and uptake. It was found that different physicochemical characteristics of the SiNCs, especially sizes, and serum concentrations had a strong impact on cytotoxicity and cellular uptake. These findings can be used for the suitable design of nanocarriers and adjustments in culture conditions to avoid toxicity and promote the uptake of nanocarriers for T-cell immunotherapy. Subsequently, the SiNCs loaded with siRNA specific to Pd-l1 mRNA, which translates to a crucial immune checkpoint protein PD-L1 inactivating T-cell, were applied to the CD8 T-cell. The results suggest that these siRNA loaded nanocarriers exhibit the potential for use in the delivery of siRNA into T-cells, enhancement of T-cell survival and functions by decreasing the expression of inhibitory protein PD-L1, increasing cell proliferation and specific T-cell activation biomarkers CD25 and CD71, and can be applied in adoptive T-cell immunotherapy for the treatment of cancer. Stimuli-responsive nanocarriers are of great interest for achieving the controlled release of functional payloads at a target site. Near infrared (NIR) light was used to trigger the enzyme inhibitor releasing platform. The system consisted of the upconversion nanoparticles (UCNP) and the ruthenium (Ru)-Cathepsin K enzyme inhibitor complex, which was loaded inside mesoporous silica nanocapsules. NIR light activated UCNP resulted in the emission of blue light, which can cleave the light sensitive bond of Ru complex, then releasing the inhibitor and finally inhibiting the enzyme activity in vitro. In another system, red light was used instead of NIR light to trigger the Ru complex and showed deep penetration through thick tissue, which was still able to cleave the light sensitive bond, uncage the toxic product and finally kill HeLa cancer cells. With the significant potential of a red-light sensitive Ru complex releasing system, a micelles-containing Ru complex conjugated anti-cancer drug chlorambucil was developed. After red light stimulation, the anti-cancer product was cleaved and effectively killed HeLa cells, even under hypoxia simulated in vitro conditions and in tumor-bearing mouse in vivo. Due to the non-invasive method and spatiotemporal control, the light-responsive controlled release system provides a promising strategy for cancer therapy. Temperature at the cellular level can be used to determine the metabolic state of cells such as anti-cancer drug metabolism. It could also be used to distinguish between cancer cells and normal cells. To measure intracellular temperature, light activated-polymeric upconversion nanocapsules (UCNCs) based on the temperature dependence of triplet-triplet annihilation upconversion (TTA-UC) phenomenon were developed. A cellular temperature measurement in the range of 22 to 40 C was successfully obtained after red light activation. The novel nanothermometer exhibited the potential for use in treatment and diagnostics in the medical field. These studies demonstrate the advantages of recently-developed nanocarrier systems, which can be used for cellular uptake, controlled release and intracellular sensing in living cells. The proof of concept systems reveals the critical factors involved in cytotoxicity and cellular uptake, ideas for innovatively and carefully designing the delivery or sensing systems and new strategies for cancer therapy that can be applied in various bio-applications.en_GB
dc.description.abstractDie Nanotechnologie hat sich zu einem leistungsstarken Werkzeug für viele biomedizinische Anwendungen entwickelt, einschließlich Diagnose, Therapie, Bildgebung und Sensorik. Eine Vielzahl von fortschrittlichen Nanomaterialien wurde innovativ entwickelt und synthetisiert, um die Anforderungen entsprechend ihren Anwendungen zu erfüllen. Unter ihnen sind Nanokapseln einige der interessantesten Nanostrukturen und bekannt dafür, dass sie häufig zum Laden von Therapeutika oder Fluoreszenzfarbstoffen verwendet werden, um eine heilende Wirkung zu erzielen bzw. die Kapsel zu verfolgen. Die Hauptfunktion der Nanokapsel besteht darin, die Ladung zu schützen und zu den Zielzellen zu transportieren. Dabei kann die Nanokapsel dementsprechend hergestellt werden, dass sie durch ein auf Reizen basierendes Kontrollsystem die Freisetzung der funktionellen Ladung ermöglicht. Darüber hinaus können ansprechende Reize verwendet werden, um die Erfassungseinheit auszulösen und das Signal dann als Reporter im Sensorsystem auszugeben. Daher muss die Zytotoxizität bestimmt werden, bevor die beladenen Nanokapseln zu den Zellen gegeben werden. Die Internalisierung der Kapsel in den Zellen muss anschließend mittels Durchflusszytometrie untersucht und durch konfokale Laserscanning-Mikroskopie bestätigt werden. Abschließend werden die spezifischen Funktionen/Eigenschaften der Nanokapseln überprüft. Silica-Nanokapseln (SiNCs) wurden eingesetzt, um siRNA zu bestimmten Immunzellen zu befördern, um ihre Auswirkung auf Toxizität und Aufnahme systematisch zu untersuchen. Hierfür wurden neuartige Silica „core-shell“ Nanokapseln verwendet, die verschiedene physiochemische Eigenschaften wie unterschiedliche Größe, Kernhydrophilitäten, Oberflächenladungen und Funktionalitäten aufweisen. Toxizität und Aufnahme wurde mit verschiedenen Serumkonzentrationen anhand von CD8 T-Zellen ermittelt, welche zu den Immunzellen zählen, die virusinfizierte Zellen als auch Krebszellen unschädlich machen können. Es wurde festgestellt, dass verschiedene physikalisch-chemische Eigenschaften der SiNCs, insbesondere Größe und Serumkonzentrationen, einen starken Einfluss auf die Zytotoxizität und die Zellaufnahme haben. Diese Ergebnisse können für eine geeignete Herstellung von Nanocarriern und Anpassungen der Kulturbedingungen genutzt werden, um Toxizität zu vermeiden und die Aufnahme von Nanocarriern für die T-Zell-Immuntherapie zu fördern. Anschließend wurden die SiNCs mit siRNA beladen und zu den CD8 T-Zellen gegeben. Die siRNA ist spezifisch für Pd-l1 mRNA, welche ungehindert zu dem wichtigen Immun-Checkpoint Protein PD-L1 translatiert wird, welches T-Zellen inakiviert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese mit siRNA beladenen Nanocarrier das Potenzial für den Einsatz bei der Abgabe von siRNA in T-Zellen haben, die Verbesserung des Überlebens und der Funktionen von T-Zellen durch Verringerung der Expression vom hemmenden Protein PD-L1 unterstützen, die Erhöhung der Zellproliferation und spezifischer T-Zell-Aktivierungs Biomarker wie CD25 und CD71 anheben und in der adoptiven T-Zell-Immuntherapie zur Behandlung von Krebserkrankungen eingesetzt werden könnten. Stimuli-reaktive Nanocarrier sind von großem Interesse für die kontrollierte Freisetzung funktionaler Beladungen an einem Zielort. Nahes Infrarotlicht (NIR) wurde verwendet, um die Plattform zur Freisetzung von Enzyminhibitoren auszulösen. Das System bestand aus den Upconversion-Nanopartikeln (UCNP) und dem Ruthenium (Ru)-Cathepsin K-Enzym-Inhibitor-Komplex, der in mesoporöse Silica-Nanokapseln geladen wurde. NIR-Licht aktiviert UCNP führte zu der Emission von blauem Licht, welches die lichtempfindliche Bindung des Ru-Komplexes spalten kann, den Inhibitor freisetzt und schließlich die Enzymaktivität in vitro hemmt. In einem anderen System wurde rotes Licht anstelle von NIR-Licht verwendet, um den Ru-Komplex auszulösen. Dies resultierte in einer tiefen Penetration durch das dicke Zellgewebe gekoppelt mit der lichtempfindlichen Spaltung der Bindung als auch der Freisetzung des giftigen Produktes was schließlich zur Abtötung von HeLa-Krebszellen führte. Mit dem signifikanten Potenzial eines rot-lichtempfindlichen Ru-Komplex-Freisetzungssystems wurde ein Mizellen-haltiges, konjugiertes Ru-Komplex-konjugiertes Antikrebsmittel Chlorambucil entwickelt. Nach der Rotlichtstimulation wurde das Krebsmedikament gespalten und tötete HeLa-Zellen effektiv, sowohl unter in vitro simulierter Hypoxie als auch im Tumor Mausmodell in vivo. Aufgrund der nicht-invasiven Methode und der raumzeitlichen Kontrolle bietet das lichtreaktive kontrollierte Freisetzungssystem eine vielversprechende Strategie für die Krebstherapie. Mit Hilfe der Temperatur auf zellulärer Ebene kann der Stoffwechselzustand von Zellen wie dem Stoffwechsel von Krebsmedikamenten bestimmt werden. Es könnte auch verwendet werden, um zwischen Krebszellen und normalen Zellen zu unterscheiden. Um die intrazelluläre Temperatur zu messen, wurden lichtaktivierte polymere Upconversion-Nanokapseln (UCNCs) entwickelt. Das System nutzte die Temperaturabhängigkeit des Phänomens der Triplet-Triplet-Annihilations-Aufwärtskonvertierung (TTA-UC). Eine zelluläre Temperaturmessung im Bereich von 22 bis 40 oC wurde nach der Rotlichtaktivierung erfolgreich durchgeführt. Das neuartige Nanothermometer zeigte das Potenzial für den Einsatz in der Behandlung und Diagnose im medizinischen Bereich. Diese Studien zeigen die Vorteile neu entwickelter Nanocarrier-Systeme, die für die zelluläre Aufnahme, kontrollierte Freisetzung und intrazelluläre Abtastung in lebenden Zellen eingesetzt werden können. Der Proof of Concept zeigt die kritischen Faktoren der Zytotoxizität und Zellaufnahme, Ideen für eine innovative und sorgfältige Gestaltung der Applikations- oder Sensorsysteme und neue Strategien für die Krebstherapie, die in verschiedenen Bio-Anwendungen eingesetzt werden können.de_DE
dc.language.isoeng
dc.rightsin Copyrightde_DE
dc.rights.urihttps://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subject.ddc570 Biowissenschaftende_DE
dc.subject.ddc570 Life sciencesen_GB
dc.titleNanocapsules for uptake, release and sensing in cellsen_GB
dc.typeDissertationde_DE
dc.identifier.urnurn:nbn:de:hebis:77-diss-1000034867
dc.identifier.doihttp://doi.org/10.25358/openscience-3115-
jgu.type.dinitypedoctoralThesis
jgu.type.versionOriginal worken_GB
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jgu.description.extent150 Blätter
jgu.organisation.departmentExterne Einrichtungen-
jgu.organisation.departmentFB 10 Biologie-
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jgu.organisation.nameJohannes Gutenberg-Universität Mainz-
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jgu.subject.ddccode570
opus.date.accessioned2020-04-30T06:59:31Z
opus.date.modified2020-05-15T14:38:43Z
opus.date.available2020-04-30T08:59:31
opus.subject.dfgcode00-000
opus.organisation.stringExterne Einrichtungen: Max-Plank-Institut für Polymerforschungde_DE
opus.organisation.stringFB 10: Biologie: Institut für Molekulare Biophysikde_DE
opus.identifier.opusid100003486
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opus.type.contenttypeDissertationde_DE
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