Accessibility to nanocapsule loadings

Abstract

In the present thesis, we highlighted the diverse benefits of nanocapsules for non invasive imaging and drug delivery. Semi-crystalline nanocapsules were synthesized to enable a higher loading capacity in the nanocapsules. The nanocapsules shell was found to create a space confinement for the crystallization. The degree of crystallinity was tuned by varying the shell thickness of the nanocapsules and by the molecular structure of the polymer. With increasing degree of crystallinity, the diffusion of a fluorescent dye, used as a model compound, was found to be reduced. Semi-crystalline nanocapsules were used to encapsulate a commercial magnetic resonance imaging (MRI) contrast agent with remarkably high loading capacities (up to a theoretical contrast agent concentration inside the nanocapsules of ~0.2 mol L–1) and a relaxivity as high as ~40 s–1 mmol–1 L. The amount of contrast agent needed for the enhancement in tissue contrast was efficiently reduced by the encapsulation of the contrast agent into semi-crystalline nanocapsules compared to free contrast agent. For computed tomography (CT) measurements, even higher concentrations of contrast agents are required in comparison to MRI experiments. Nanoparticles containing a commercial CT contrast agent were synthesized. The balance between entrapment efficiency and hydrophilicity was controlled to obtain a maximum iodine concentration in dispersion (up to ~12 g of iodine L–1). To enable an enzymatic triggered release of cargos, proteins were incorporated into nanocapsules as predetermined breaking points. To avoid uncontrolled cell uptake, hydroxyethylstarch was chosen as basic material for the nanocapsules. The release of a dye upon enzymatic degradation was monitored. The more protein was incorporated into the nanocapsule shell, the more fluorescent dye was released upon enzymatic degradation during dialysis. STAT3 inhibitors (Signal Transducer and Activator of Transcription3 inhibitors) were chosen as a model drug. Cell experiments revealed no toxicity and no cell uptake of the nanocapsules. This thesis gives an insight in how nanocarriers can serve as contrast agents and as nanocarriers for drug delivery. With this method, versatile and non toxic nanoscale contrast agents were obtained. Furthermore, the nanocapsules can also serve as sensitive probes because the relaxivity of MRI contrast agents is strongly dependent on the water exchange in its environment.

In dieser Arbeit wurden die vielfältigen Vorteile von Nanokapseln für die biomedizinische Bildgebung und für den Wirkstofftransport hervorgehoben. Zur Erhöhung des Fassungsvermögens wurden semikristalline Nanokapseln hergestellt. Die Kristallisation des Schalen bildenden Polymers ist auf die Nanokapselschale begrenzt. Der Kristallinitätsgrad wurde durch Variieren der Schalendicke sowie durch die Molekülstruktur des Polymers modifiziert. Zur Feststellung des Diffusionsverhaltens wurde ein Fluoreszenzfarbstoffs als Modellverbindung verwendet. Mit zunehmenden Kristallinitätsgrad nahm die Diffusion des Fluoreszenzfarbstoffes ab. Semikristalline Nanokapseln wurden verwendet, um ein kommerzielles Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie (MRT) zu verkapseln. Die Nanokapseln zeichnen sich durch ein bemerkenswert hohes Fassungsvermögen aus (bis zu einer theoretischen Kontrastmittelkonzentration von ~0,2 mol L–1 Gd im Inneren der Kapsel) und einer Relaxivität von bis zu ~40 s–1 mmol–1 L. Die für die Verbesserung des Bildkontrasts im MRT benötigte Menge an Kontrastmittel wurde durch dessen Verkapselung in semikristalline Nanokapseln im Vergleich zu freiem Kontrastmittel effizient reduziert. Für die Computertomographie (CT) werden noch höhere Kontrastmittelmengen benötigt als beim MRT. Es wurden Nanopartikel synthetisiert, die ein handelsübliches CT-Kontrastmittel enthalten. Die Einschlusseffizienz und die Hydrophilie der Nanopartikel wurden abgestimmt, um eine maximale Iodkonzentration in der Nanopartikel Suspension von bis zu ~12 g Iod L–1 zu erhalten. Um eine enzymatische Freisetzung zu ermöglichen wurden Proteine als Sollbruchstellen in die Nanokapselschale eingebaut. Zur Vermeidung einer unkontrollierten Zellaufnahme wurde Hydroxyethylstärke als Ausgangsmaterial für die Nanokapseln gewählt. Die Freisetzung nach enzymatischem Abbau wurde unter Verwendung eines Fluoreszenzfarbstoffs als Modellverbindung überwacht. Je mehr Protein in die Schale der Nanokapseln eingebaut wurde, desto mehr Fluoreszenzfarbstoff wurde nach enzymatischem Abbau während der Dialyse freigesetzt. STAT3 Inhibitoren (Signal Transducer and Activator of Transcription3 Inhibitoren) wurden als Modellbeispiele für Arzneimittel ausgewählt. Zellversuche zeigten keine Toxizität und keine Zellaufnahme der Nanokapseln. Diese Dissertation gibt einen Einblick darüber, wie Nanoträgersysteme als Kontrastmittel und als Nanoträger für den Wirkstofftransport dienen können. Neben dem Gewinn von neuen, nicht-toxischen, nanoskaligen Kontrastmitteln sowie Nanoträgersystemen für den Wirkstofftransport, können die Nanokapseln zukünftig auch als Sonden eingesetzt werden, um beispielsweise Unterschiede in der Wasserdiffusion anhand der Relaxivität zu detektieren.