Poly(S-Alkylsulfonyl-L-Cysteine) in Modular Nanoparticle Synthesis : exploring key factors from disulfide stabilization, polypept(o)ide architectures to secondary structures

Abstract

RNA interference (RNAi) enables the silencing of gene expression demonstrating enormous clinical potential. Systemic application of RNAi therapeutics, however, requires delivery strategies evading enzymatic degradation in combination with stability in blood for long systemic circulation. This thesis comprises the consecutive development of polypept(o)ide-based core-shell carrier systems to fulfill this task. Polypept(o)ides show great promise as a synthetic delivery platform in medical application and allow for a controlled synthesis of well-defined materials with conformational and chemical diversity. The presented work closes a relevant synthetic gap in polymerization of these materials with the development of S-alkylsulfonyl-L-cysteines. The established novel protective and activating group for thiols, for the first time, mediates direct chemoselective disulfide formation in compatibility with the nucleophilic ring-opening polymerization strategy. (Multi)block copolypept(o)ides with orthogonal thiol reactivity could thus be sequentially polymerized and were implemented in secondary structure-modulated self-assembly of cross-linked nanoparticles with control over size, morphology as well as functionality. In vivo application of the resulting cationic systems revealed outstandingly stable blood circulation in combination with passive tumor accumulation and a low systemic burden. Eventually, RNAi mediated knockdown in solid tumors was realized upon systemic delivery by cationic, cross-linked polypept(o)ide-based systems, concluding this journey towards gene delivery vectors in systemic application.

RNA-Interferenz (RNAi) ermöglicht die Hemmung von Genexpression und zeigt ein enormes klinisches Potential. Für systemische Anwendungen von RNAi-Therapeutika bedarf es jedoch Transportstrategien, welche den enzymatischen Abbau verhindern sollen; dies in Kombination mit Stabilität im Blut für eine lange systemische Zirkulation. Zu diesem Zweck unfasst die vorliegende Dissertation die fortwährende Entwicklung von Kern-Schale-Systemen auf Basis von Polypept(o)iden. Polypept(o)ide als synthetische Plattform sind hervorragend geeignet für medizinische Anwendungen und erlauben die kontrollierte Synthese wohldefinierter Materialen von struktureller und chemischer Vielfalt. Eine erhebliche synthetische Lücke in der Herstellung dieser Materialen wird durch die Entwicklung von S-Alkylsulfonyl-L-Cysteinen geschlossen. Die eingeführte neuartige Aktivierungs- und Schutzgruppe für Thiole eröffnet erstmalig Möglichkeiten für unmittelbare, chemoselektive Bildung von Disulfiden in Kompatibilität mit nucleophiler Ring-öffnenden Polymerisation. (Multi)block Copolypept(o)ide mit orthogonaler Thiol-Reaktivität konnten so sequenziell polymerisiert werden und bieten in der Sekundärstruktur-modulierten Selbsassemblierung von vernetzten Nanopartikeln die Kontrolle über Partikelgröße, Morphologie sowie Funktionalität. Der Einsatz in vivo zeigt eine außerordentlich stabile Blutzirkulation von so hergestellten kationischen Systemen, sowie passive Tumoranreicheung und geringe systemische Akkumulation. Schließlich wurde, dank systemischem Transport durch kationische, vernetzte Systeme auf Polypept(o)id-Basis, ein RNAi-vermittelter Knockdown von Genexpression im Tumor demonstriert, womit ein fundamentaler Abschnitt des Weges zu Gentransfersystemen für systemische Anwendungen zurückgelegt wurde.