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Authors: Radi, Lydia
Title: Catalytically Active Enzyme-Based Nanoparticles for Cellular Modulation
Online publication date: 10-Apr-2019
Language: english
Abstract: Protein-based nanomedicine platforms are versatile application systems due to their biodegradability, biocompatibility and low toxicity. Especially the use of enzymes, which represent highly specific biocatalysts, is a promising challenge in therapeutic applications. These systems can offer the potential to intervene in cellular mechanisms and to manipulate them. This PhD thesis presents a novel approach for the synthesis of catalytically active enzyme-based nanoparticles. The nanosystems consist solely of enzyme-polymer conjugates, where natural enzymes are covalently linked to the FDA-approved synthetic polymer polyethylene glycol. The preservation of the enzymatic activity was realized by mild PEGylation routes. For this, four different activated PEG chains were synthesized and used for the surface modification of lysozyme. Due to the design of a lipophilic biomaterial, an emulsion-based technique was used as particle preparation method, resulting in stable nanoparticles in a size range of 120–200 nm. This concept was applied to the development of peroxidase active nanoparticles for the modulation of reactive oxygen species (ROS). Three different peroxidases were used in their PEGylated form as active building blocks. It could be shown that the nanoparticle systems act both, extra- and intracellular as redox-active material, leading to the decrease of harmful ROS. Furthermore, the design of an active dual-enzyme nanoparticle system was presented. The combination of two PEGylated enzymes in the emulsification evaporation method led to the creation of a cascade-performing particle system. The investigation of five various enzyme quantities within the particle system resulted in catalytically active nanoparticles with different substrate affinities and catalytic efficiencies. This thesis provides, not only novel bio¬mimetic approaches to study cellular processes but also offer the potential to produce next-generation delivery and manipulation platforms for innovative applications in bio¬medical research.
In der Nanomedizin stellen Protein-basierte Nanosysteme aufgrund ihrer Bioabbaubarkeit, Biokompatibilität und geringen Toxizität, innovative Applikationssysteme dar. In diesem Zusammenhang, ist die Verwendung von Enzymen, die hoch spezifische Biokatalysatoren repräsentieren, ein vielversprechender therapeutischer Ansatz. Mit diesen Systemen kann ein Eingreifen in zelluläre Prozesse und deren Manipulation ermöglicht werden. Die vorliegende Dissertation präsentiert einen neuen Ansatz zur Synthese von katalytisch aktiven Enzym-basierten nanopartikulären Systemen. Die Nanopartikel bestehen aus Enzym-Polymer Konjugaten, die, durch die kovalente Verknüpfung von natürlichen Enzymen mit dem Polymer Polyethylen Glykol, hergestellt wurden. Die Erhaltung der enzymatischen Aktivität konnte dabei durch die Verwendung von milden PEGylierungs-Routen gewährleistet werden. Hierfür wurden vier unterschiedlich aktivierte Polymerketten synthetisiert und für die Oberflächenmodifikation von Lysozym verwendet. Aufgrund der resultierenden Lipophilie des Biomaterials, konnte eine Emulsionstechnik für die Herstellung der Nanopartikel genutzt werden. Diese führt zur Bildung stabiler Nanosysteme von einer Größe zwischen 120–200 nm. Das Konzept konnte erfolgreich für die Herstellung von Peroxidase-aktiven Nanopartikeln verwendet werden. Hierfür wurden jeweils drei verschiedene Peroxidasen in ihrer PEGylierten Form als aktives Partikelmaterial eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die Nanopartikelsysteme als extra- und intrazelluläres Redox-aktives Material fungieren können und im Stande sind, vorhandene schädliche reaktive Sauerstoffspezies zu reduzieren. Darüber hinaus konnte ein aktives binäres Nanosystem hergestellt werden. Die Verarbeitung von zwei Oberflächen-modifizierten Enzymen in dem Emulsionsverfahren, führte zur Herstellung eines Partikelsystems, das Kaskadenreaktionen durchführen kann. Die Untersuchung von fünf hergestellten partikulären Systemen, mit jeweils unterschiedlichen Enzymkonzentrationen, führte zur Bildung katalytisch aktiver Nanopartikel mit verschiedenen Substrataffinitäten und katalytischen Umsatzraten. Diese Arbeit stellt, neben einem neuen Ansatz zur Entwicklung biologisch nachahmender Systeme, die zur Untersuchung von zellulären Prozessen herangezogen werden können, die Synthese neuartiger Transport- und Manipulationssysteme vor, die im biomedizinischen Forschungsbereich Anwendung finden können.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4813
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 156 Seiten
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