Authors:	Frey, Marie-Luise
Title:	Selective surface functionalization and cell uptake of reproducibly synthesized biocompatible nanocapsules
Online publication date:	8-Mar-2022
Year of first publication:	2022
Language:	english
Abstract:	Recent developments in vaccine research demonstrate that engineered nanomaterials such as nanocarriers play an increasingly important role in modern medicine. The use of nanocarriers is an elaborate strategy that originally launched its involvement in cancer therapy. Next to the decrease of side-effects due to packaging of the drug, therapeutic efficacy is not limited to the sole delivery of the drug to its destination, but the carrier itself can also participate in the therapeutic approach using targeting moieties and smart materials. Liposomal formulations are so far the most successful ones, representing the largest group of nanocarriers in clinical applications and trials, while other nanoparticulate materials have not shown a similar therapeutic scope yet. Reproducibility of nanocarrier syntheses is essential for successful translation to the clinic, however, this is difficult because nanoparticulate materials are, from a chemical point of view, extraordinarily complex. Furthermore, distinct physicochemical properties of the carriers are associated to biological characteristics, which are not fully understood yet. This work aims to elucidate in detail the synthesis and surface functionalization of biocompatible nanocapsules, as potential drug delivery vehicles and the effects induced on a cellular level. In the first part it is shown that hydroxylethyl starch (HES) nanocapsules were reproducibly synthesized and biomolecules relevant for the targeting and selective proliferation of specific immune cells are attached to the surface, thus accomplishing the desired cell response. It is confirmed that also protein nanocapsules can be synthesized in the same manner and thermodynamic details for the binding constitutions are analyzed using a model system. In the third part it is shown that protein nanocapsules were synthesized using a bioorthogonal crosslinking approach, while revealing different uptake properties due to alteration of the surface constitution. In the fourth part, unambiguous localization of the protein nanocapsules inside cells is demonstrated, enabling elucidation of trafficking pathways. In summary, an overall relationship of size, surface charge, and binding constitutions of different biocompatible nanocapsules, consisting of hydroxylethyl starch and proteins is given and their cellular uptake is illustrated. The findings are therefore an example for the analysis of structure-effect relationships for nanocarriers and are presenting further advances for nanocarrier characterizations and novel insights in order to improve clinical feasibility. Aktuelle Entwicklungen in der Impfstoff-Forschung zeigen, dass ausgearbeitete Nanomaterialien, wie beispielsweise Nanocarrier, eine immer wichtigere Rolle in der modernen Medizin spielen. Der Einsatz von Nanocarriern ist eine ausgeklügelte Strategie, die ursprünglich in der Krebstherapie ihren Anfang nahm. Neben der Verringerung von Nebenwirkungen durch die Verpackung des Medikaments beschränkt sich die therapeutische Wirksamkeit nicht nur auf die reine Lieferung des Arzneistoffs an seinen Bestimmungsort, sondern auch der Carrier selbst kann durch die Verwendung von zielgerichteten Bausteinen und intelligenter Materialien, am therapeutischen Ansatz teilnehmen. Liposomale Formulierungen sind bisher am erfolgreichsten und stellen die größte Gruppe von Nanocarriern in klinischen Anwendungen und Studien dar, während andere nanopartikuläre Materialien noch keine ähnliche therapeutische Reichweite gezeigt haben. Die Reproduzierbarkeit der Nanocarrier-Synthese ist essenziell für eine erfolgreiche Umsetzung in die Klinik, jedoch ist diese schwierig, da nanopartikuläre Materialien aus chemischer Sicht, außerordentlich komplex sind. Des Weiteren sind bestimmte physikochemische Eigenschaften der Carrier mit Biologischen verknüpft, die noch nicht vollständig verstanden sind. Diese Arbeit zeigt die Synthese und Oberflächenfunktionalisierung von verschiedenen biokompatiblen Nanokapseln, welche potenzielle Arzneistoff-Vehikel darstellen, und ihre auf zellulärer Ebene induzierten Effekte. Im ersten Teil wird gezeigt, dass Hydroxyethylstärke (HES)- Nanokapseln reproduzierbar synthetisiert werden können und Biomoleküle, welche relevant für das Targeting und die selektive Proliferation spezifischer Immunzellen sind, angebracht werden können, womit die gewünschte Zellantwort erreicht wird. Es kann bestätigt werden, dass Protein-Nanokapseln auf die gleiche Weise synthetisiert werden können und es werden thermodynamische Details für die Bindungskonstitutionen anhand eines Modellsystems analysiert. Im dritten Teil wird gezeigt, dass Protein-Nanokapseln mit Hilfe eines bioorthogonalen Vernetzungsansatzes synthetisiert werden können und damit andere Aufnahme-Eigenschaften aufgrund von Veränderungen in der Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Im vierten Teil kann eine eindeutige Lokalisierung der Protein Nanokapseln in Zellen demonstriert werden, welche die Aufklärung von Transportwegen ermöglicht. Zusammenfassend wird ein Gesamtverhältnis von Größe, Oberflächenladung und Bindungskonstitution von verschiedenen biokompatiblen Nanokapseln, bestehend aus Hydroxyethylstärke und Proteinen, gezeigt und ihre zelluläre Aufnahme erläutert. Die Ergebnisse sind daher ein Beispiel für die Analyse einer Struktur-Wirkungsbeziehung von Nanocarriern und sollen Weiterentwicklungen für Nanocarrier-Charakterisierungen sowie neue Erkenntnisse für eine Verbesserung der klinischen Umsetzbarkeit darlegen.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 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-6160
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-b4f3f4bc-b182-430c-8010-5d9a74b00ee77
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	216 Seiten, Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen