Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3590
Authors: Weber, Claudia
Title: Flow-based techniques for the analysis of nanocarriers in biological environments
Online publication date: 7-Jan-2020
Language: english
Abstract: The use of nanomedicine has recently opened new perspectives in the field of drug delivery, while the comprehension on how nanocarriers interact with biological systems still remains to be a big challenge. Upon contact of the nanomaterial with a biological fluid like blood plasma, a ‘protein corona’ develops from the adsorption of proteins and other biomolecules on the nanocarrier surface. The adsorbed proteins determine the biological response and, therefore, understanding the processes involved in the protein corona formation is crucial to make nanomedicine reliable, successful and safe. Currently, the main focus in the protein corona analysis is the investigation of the ‘hard corona’, which describes the strongly adsorbed proteins usually separated via centrifugation. However, there are more aspects contributing to the protein corona, leading to a discrepancy between the in vitro and in vivo characterization. In the presented thesis, asymmetric flow field-flow fractionation (AF4) has been introduced as a new separation technique for the isolation of differently sized components like nanocarrier-protein complexes or plasma protein fractions. Combining this technique with subsequent analysis steps, new insights into the protein corona formed from human blood plasma have been highlighted for the first time. With the AF4, also loosely bound proteins contributing to the ‘soft corona’ on polystyrene nanoparticles could be preserved. The obtained corona could be compared with the hard corona after centrifugation in terms of size, composition and cellular uptake. The separation process was adopted to liposomes as potential drug carriers. The influence of hyperbranched polyglycerol as surface functionality on liposomes was investigated for its potential ‘stealth effect’, meaning a minimized unspecific protein adsorption and cell uptake. Furthermore, AF4 proved to be a valuable tool for the separation of plasma into smaller entities, enabling a more detailed data evaluation of the complex protein mixture. After removal of the silica nanoparticles including their protein corona, the protein residue of plasma was investigated. This way, a depletion of the most prominent protein of the protein corona could be identified, as well as a changed retention behavior of the supernatant. Additionally, considering the flow after intravenous injection of nanocarriers, a light scattering set-up was used to observe the influence of the blood flow on the protein corona formation. From the presented results, a broader knowledge of the various parameters influencing the protein corona was obtained, and new techniques were introduced for the analysis of the nanocarrier-protein interactions that can be related to realistic in vivo conditions.
Im Gebiet der Nanomedizin eröffnet die Anwendung von Wirkstoffträgern neue, vielversprechende Perspektiven. Allerdings sind die Interaktionen dieser Nanoträger mit biologischen Systemen noch weitestgehend unklar und bilden damit die größte Herausforderung in diesem Gebiet. In dem Moment, in dem ein Nanomaterial mit einer biologischen Flüssigkeit wie Blutplasma in Kontakt kommt, adsorbieren Proteine und andere Biomoleküle auf dessen Oberfläche und bilden die sogenannte ‚Proteinkorona‘. Diese adsorbierten Proteine bestimmen von nun an die biologische Antwort des Körpers auf den Nanoträger. Daher ist es wichtig, die Prozesse, die an der Proteinkorona-Bildung beteiligt sind, zu verstehen und so Nanomedizin zuverlässig, effektiv und sicher zu machen. Derzeit liegt der Schwerpunkt der Proteinkorona-Analyse auf der Untersuchung der ‚harten Korona‘, die die stark adsorbierten Proteine beschreibt, und die üblicherweise durch Zentrifugation erhalten wird. Es gibt jedoch mehr Aspekte, die zur Proteinkorona beitragen, was zu einer Diskrepanz der in vitro und der in vivo Daten führt. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Trennmethode zur Isolierung von Nanoträgern unter Zuhilfenahme der asymmetrischen Fluss Feld-Fluss Fraktionierung (AF4) vorgestellt. Durch die Kombination dieser Technik mit nachfolgenden Analyseschritten wurden erstmals neue Einblicke in die aus menschlichem Blutplasma gebildete Proteinkorona gewonnen. Mittels AF4 konnten zusätzlich zu der harten Korona auch lose gebundene Proteine als Teil der Proteinkorona erhalten werden, die zur ‚weichen Korona‘ auf Polystyrol-Nanopartikeln gezählt werden. Die nach AF4 isolierte Korona konnte mit der harten Korona nach Zentrifugation hinsichtlich Größe, Zusammensetzung und Zell-Aufnahme verglichen werden. Das Trennverfahren wurde anschließend auf Liposome als potentielle Wirkstoffträger übertragen. Dabei wurde hyperverzweigtes Polyglycerol auf der Oberfläche von Liposomen auf seinen potentiellen ‚Stealth-Effekt‘ hin untersucht, der sich in einer minimierten Proteinadsorption und einer minimierten unspezifischen Zellaufnahme zeigt. Darüber hinaus erwies sich AF4 als ein geeignetes Werkzeug für die Trennung von Plasma in kleinere Einheiten, was eine detailliertere Analyse der komplexen Proteinmischung ermöglicht. Nach Abtrennung von Silica-Nanokapseln mit Proteinkorona wurde der Proteinrückstand des Plasmas untersucht und auf diese Weise ein Mangel des prominentesten Proteins der Proteinkorona sowie ein verändertes Retentionsverhalten des Überstandes festgestellt. Zur zusätzlichen Analyse des Einflusses des Blutflusses auf die Proteinkorona-Bildung wurden Nanoträger im Fluss mittels eines speziell designten Lichtstreuaufbaus untersucht. Durch die hier vorgestellten Ergebnisse wurde das Wissen um die verschiedenen Parameter, die die Proteinkorona beeinflussen, erweitert und neue Techniken für die weitere Analyse der Nanoträger-Protein-Wechselwirkungen eingeführt.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3590
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 108, xlvii Seiten
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