Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4818
Authors: Müller, Julius
Title: Achieving a stealth effect of nanocarriers through controlled protein adsorption
Online publication date: 23-Apr-2019
Language: english
Abstract: Drug delivery by nanocarriers has evolved into a momentous field of interdisciplinary research. A crucial aspect for the success of any form of future nanotherapeutic is the protein corona, which forms around the surface of a nanocarrier immediately once it enters a bodily fluid like blood plasma. Certain apolipoproteins in this corona are responsible for the ‘stealth effect’, i.e. the non-uptake of a nanocarrier by phagocytes and a resulting long blood circulation time. The aim of controlled biological behavior through a defined ‘stealth’ protein corona was approached from different sides in this work. Firstly, with the physical adsorption of poly(phosphoester) surfactants a new approach to the stealth effect of polystyrene nanoparticles was introduced to facilitate and generalize the stealth functionalization strategy. A similar composition of the protein corona as for nanocarriers with poly(ethylene glycol) chains grafted to their surface could be observed. Cellular uptake experiments confirmed a stealth effect for the surfactant-coated nanoparticles. Afterwards, the role of lipids for the formation of a stealth corona and the consequences for cellular uptake were investigated. Lipoprotein adsorption to nanoparticles was analyzed with various methods and new insights into the mechanism of the interaction with nanoparticles could be gained. Evidence for the disintegration of lipoprotein complexes upon adsorption was found. Moreover, denaturation of important stealth corona proteins by surfactants was analyzed with complementary methods. In this context, the effect of additional cetyltrimethylammonium chloride on the composition of the protein corona was studied and a clear shift could be observed. Two selected apolipoproteins were screened for their sensitivity to surfactant denaturation and significant differences were found. Further, a possible influence of heat inactivation on the folding state and adsorption behavior of proteins was investigated. Finally, the commonly used stealth polymer poly(ethylene glycol) has been tested for possible interaction with proteins. In conclusion, new findings on the complex interactions of nanoparticle formulations with single proteins and blood plasma could be gained and the potential influence of surfactants could be illuminated. The results gained in this work provide valuable knowledge for future research on this subject.
Die Wirkstoffverabreichung durch Nanoträger hat sich zu einem wichtigen Feld interdisziplinärerer Forschung entwickelt. Ein entscheidender Aspekt für den Erfolg von jeglicher Form eines Nanotherapeutikums ist die Proteincorona, die sich um die Oberfläche eines Nanoträgers bildet, sobald dieser in eine Körperflüssigkeit wie Blutplasma eintritt. Bestimmte Apolipoproteine in dieser Corona sind für den ‚Stealth Effekt‘ verantwortlich, dieser bezeichnet die verhinderte Aufnahme eines Nanoträgers durch Phagozyten und eine resultierende lange Zirkulationszeit im Blut. Dem Ziel eines kontrollierten biologischen Verhaltens durch eine definierte ‚Stealth‘ Proteincrona wurde sich in dieser Arbeit von verschiedenen Seiten genähert. Zunächst wurde mit der physikalischen Adsorption von Polyphosphoester-Tensiden ein neuer Ansatz für den Stealth-Effekt von Polystyrol-Nanopartikeln vorgestellt, um die Strategie der Stealth-Funktionalisierung zu vereinfachen und zu verallgemeinern. Eine ähnliche Zusammensetzung der Proteincorona wie für Nanoträger mit auf der Oberfläche aufgepfropften Polyethylenglycol-Ketten konnte beobachtet werden. Zellaufnahmeversuche bestätigten einen Stealth-Effekt für Tensid-beladene Nanopartikel. Anschließend wurde die Rolle von Lipiden für die Ausbildung einer Stealth-Corona und die Konsequenzen für die Zellaufnahme untersucht. Die Adsorption von Lipoproteinen an Nanopartikel wurde mit vielfältigen Methoden analysiert und neue Erkenntnisse über den Mechanismus der Wechselwirkung mit Nanopartikeln konnten gewonnen werden. Anhaltspunkte für den Zerfall von Lipoprotein-Komplexen bei der Adsorption wurden festgestellt. Zudem wurde die Denaturierung wichtiger Stealth-Corona-Proteine durch Tenside mit einander ergänzenden Methoden analysiert. In diesem Zusammenhang wurde der Effekt von zusätzlichem Cetyltrimethylammoniumchlorid auf die Zusammensetzung der Protein-Corona studiert und eine klare Verschiebung konnte beobachtet werden. Zwei ausgewählte Apolipoproteine wurden hinsichtlich ihrer Sensitivität gegenüber Tensid-Denaturierung überprüft und signifikante Unterschiede wurden festgestellt. Weiterhin wurde ein möglicher Einfluss von Hitzeinaktivierung auf den Faltungszustand und das Adsorptionsverhalten von Proteinen untersucht. Abschließend wurde das üblicherweise genutzte Stealth-Polymer Polyethylenglycol auf mögliche Wechselwirkung mit Proteinen getestet. Schließlich konnten neue Erkenntnisse über die komplexen Wechselwirkungen von Nanopartikel-Formulierungen mit einzelnen Proteinen und Blutplasma gewonnen werden und der potentielle Einfluss von Tensiden konnte beleuchtet werden. Die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse liefern wertvolles Wissen für zukünftige Forschung an diesem Thema.
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-4818
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 127, XV Seiten
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