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Authors: Ritt, Nicolas
Advisor: Zentel, Rudolf
Title: Über die kontrollierte, radikalische Synthese reaktiver Triblock-Copolymere zur Bildung von Polyplexen mit Plasmid-DNA
Online publication date: 23-Jun-2022
Language: german
Abstract: Im Verlauf der letzten Jahrzehnte war ein zunehmendes Interesse der Forschenden an nanomedizinischen Lösungen im Bereich der Tumortherapie zu beobachten. Dabei sind vor allem Therapeutika auf Basis von Nucleinsäuren von Interesse, da diese direkt auf Genom und Proteom der Zielzellen einwirken und somit körpereigene Mechanismen genutzt werden können, um Tumore von innen heraus zu bekämpfen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag daher auf der Synthese einer Polymerplattform, die sich durch ein hohes Maß an Variabilität und Modifizierbarkeit auszeichnet und durch einen kationischen Polymerblock die Möglichkeit bieten soll, Plasmid-DNA (pDNA) durch Interaktion mit dem anionischen Rückgrat der Nucleinsäure als Polyplex zu binden. Die Darreichungsform des Polyplexes soll dabei die DNA vor Degradation schützen und die Zelltransfektion mit der verwendeten pDNA ermöglichen. Unter Zuhilfenahme der RAFT-Synthesetechnik, einer kontrollierten radikalischen Polymerisationstechnik, wurden in sequenziellen Reaktionen Triblock-Copolymere auf Basis von Methacrylsäurederivaten synthetisiert. Dieser Syntheseansatz bietet dabei die Möglichkeit in einer großen Bandbreite von Reaktionsbedingungen Polymerisationen mit hoher Kontrolle über die Zusammensetzung des Produktpolymers durchführen zu können und besitzt den Vorteil besonders tolerant gegenüber vielen reaktiven Gruppen zu sein. Zunächst wurde das Triblock-Copolymer Azid-PEG6-p(MEO3MA)-b-p(PDSM)-b-p(DMAEMA) synthetisiert, welches über die sequenzielle Polymerisation der Methacrylat-Monomere (Triethylenglycolmethylether)methacrylat (MEO3MA), Methacrylsäure-2-(2-pyridyldisulfid)ethylester (PDSM), Methacrylsäure-2-(dimethylamino)ethylester (DMAEMA) mit einem Azid-funktionalisierten Kettenübertragungsagens (CTA) und anschließender radikalischer Deaktivierung der reaktiven CTA-Endgruppe dargestellt wurde. Mittels der Azid-Endgruppe bietet sich die Möglichkeit sowohl das Polymer als auch Polyplexe mit Farbstoffen oder targeting-Molekülen über kupferfreie ‚Click‘-Chemie zu modifizieren. Der mittlere PDSM-Block kann zur reduktiv-reversiblen Vernetzung der Polyplexe genutzt werden. Es wurden verschiedene Polymere und Polyplexe synthetisiert und auf ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften hin untersucht. Um weitere Möglichkeiten zur individuellen Anpassung der Polymere zu erhalten, wurde ein zweites Polymersystem synthetisiert. Diese Azid-PEG3-p(MEO3MA)-b-p(PDSM)-b-p(PFPMA) Triblock-Copolymere wurden dabei nach dem gleichen Syntheseprinzip erstellt, der dritte Polymerblock wird jedoch durch Wiederholungseinheiten des Reaktivester-Monomers Pentafluorophenyl Methacrylat (PFPMA) aufgebaut. Diese reagieren bevorzugt mit nach dem Pearson-Prinzip ‚harten‘ Nucleophilen wie primären Aminen. Durch Aminolyse der PFPMA-Einheiten mit Di- oder Oligoaminen erfolgte hier die Synthese des kationischen Blocks zur Komplexierung von pDNA. Neben der Charakterisierung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der synthetisierten Polymere und Polyplexe lag hier nun ebenfalls ein Schwerpunkt auf ersten biologischen Tests in vitro. Hierdurch sollten erste Untersuchungen zur Eignung der Polymere als Transfektionsagenzien und deren Zell-Verträglichkeit unternommen werden.
Over the course of the last decades the scientific community showed an ever-increasing interest in nanomedical solutions in the field of tumor therapy. In this field, therapeutics based on nucleic acids are of particular interest. These agents can take influence on the genome or proteome of the target cells and thus can induce the body’s own mechanisms to fight the tumor tissue from the inside. The focus of this dissertation was the synthesis of a polymer platform, which is highly flexible and modifiable. Due to a cationic polymer block, this polymer can interact with plasmid DNA (pDNA), leading to the formation of a polyplex. This complex of DNA and polymer, bound by ionic interaction, should protect the pDNA from degradation and should enhance the transfection efficiency of the nucleic acid. Using the RAFT polymerization technique, a tool for controlled radical polymerization, a triblock copolymer, based on different methacrylate derivates, was synthesized in consecutive polymerization steps. This strategic approach provides the opportunity to use an entire range of reaction conditions that possess a remarkably high control over the polymer composition. In addition to that, RAFT synthesis is highly tolerant to a plethora of different reactive groups. First, the triblock copolymer Azid-PEG6-p(MEO3MA)-b-p(PDSM)-b-p(DMAEMA) was synthesized by sequential RAFT-copolymerization of (triethyleneglycolmethylether)methacrylate (MEO3MA), Pyridyldisulfidethyl methacrylate (PDSM), N,N-Dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA), starting with an azide-functionalized chain transfer agent (CTA) for RAFT-Polymerization. After the polymerization, the reactive CTA end-group was cleaved. Both, the polymer and the polyplex can be modified at the azide end-group by copper free ‘click’-chemistry to introduce dyes or targeting moieties. The second block, containing PDSM groups was utilized for reductively reversible crosslinking of the polyplex. Different polymers and polyplexes were synthesized and their chemical and physical properties were characterized. For further possibilities of tailor-made polymer modification, a second polymer system was synthesized. The Azide-PEG3-p(MEO3MA)-b-p(PDSM)-b-p(PFPMA) triblock copolymer was synthesized in the same manner as the previously synthesized polymer. Here, the third polymer block was replaced with repetition units of the reactive ester monomer pentafluorophenyl methacrylate (PFPMA), which reacts preferably with primary amines and other ‘hard’ nucleophiles (after the Pearson principle). By aminolysis of the reactive PFPMA groups with di- or oligoamines the cationic block was synthesized. Aside from chemical and physical characterization of the polyplexes and the polymers they are based on, another focus of this thesis were first, biological evaluations of the system in an in vitro environment. The polyplexes were tested regarding their ability as transfection agents and investigations on their toxicity towards the tested cells were conducted.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
610 Medizin
610 Medical sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-7073
URN: urn:nbn:de:hebis:77-openscience-cc1ac457-0e0e-4f05-ac6d-b1fdd9f816043
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XII, 195 Seiten (Illustrationen, Diagramme)
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