Dendritic Polyglycerol-Based Microgels and Bulk Hydrogels for Cell Encapsulation Therapies

Abstract

Cell encapsulation is a very promising therapeutic strategy for the controlled and sustained delivery of biologically relevant agents. This thesis has contributed to the field with the bioorthogonal, microfluidic templating of cell-laden polyglycerol-based matrices. The latter were constructed via strain-promoted alkyne-azide cycloaddition of the newly synthesized azide- functionalized star-shaped polyglycerol and dendritic polyglycerol (dPG) with cyclooctyne moieties tethered on its surface. Linear polyglycerol as well as polyethylene glycol (PEG) bearing both azides at their ends were also utilized to fabricate overall three types of artificial 3D matrices that enclosed fibroblast cells. By varying the implemented polymeric materials, specific properties were introduced to each system that resulted in different viability profiles of the encased cells. A type of microgel scaffolds was distinguished, in which cells were cultured that retained full viability extending to three weeks. As a result, these polyglycerol-particles could be used for long-term immobilization of cells with the possibility to be studied and manipulated during encapsulation. The established dPG-microgels were also used to immune- isolate pancreatic β-cells for islet transplantation as a treatment of type 1 diabetes. Due to the poor cell viabilities detected already one day after embedment the cellular vehicles were redesigned to bear a higher resemblance to the physiological extracellular matrix of pancreatic islets. Therefore, negatively charged sulfated dPG-polyazide (dPGS-polyazide) as well as homobifunctional PEG with cyclooctynes at its ends (α, ω-bis(bicyclooctyne)-PEG) were employed for the generation of both microgels and bulk hydrogels as encapsulation systems. Whether at a range of micrometer sizes or in bulk the dPGS-based hydrogel scaffolds presented highly biocompatible environments to the enclosed pancreatic β-cells. These remained vital exceeding one month of culture in the gels. The determined insulin secretion prior to and post encapsulation in bulk gels augments the exceptional documented cellular viabilities and holds great promise for their application in in vivo studies of islet transplantation. On the whole, the developed gels present significant potential not only for cell immobilization but also for enveloping and de novo release of various therapeutic, biologic payloads such as drugs, proteins, and even genetic material. Dendritic polyglycerols constitute outstanding candidates for these applications due to their globally favorable properties as well as their amenability to a series of modifications that could optimize the gels’ performance and support even longer graft lifetimes.

Die Zellverkapselung ist eine vielversprechende therapeutische Strategie für die kontrollierte und nachhaltige Freisetzung von biologisch aktiven Substanzen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der bioorthogonalen mikrofluidischen Herstellung zellbeladener Polyglycerinkapseln und deren Evaluierung in biologisch relevanten Systemen. Der Tröpfchen basierte Aufbau der Kapseln wird durch eine Alkin-Azid-Zykloadditionsreaktion, zwischen einem erstmalig beschriebenen Azid funktionalisierten sternförmigen Polyglycerin und einem mit Cyclooctin-Einheiten dekoriertem dendritischen Polyglycerin (dPG), durchgeführt. Des Weiteren wurde mit Aziden funktionalisiert lineares Polyglycerin sowie Polyethylenglykol (PEG) verwendet um insgesamt drei Arten künstlicher 3D-Matritzen zu synthetisieren mit denen Fibroblasten verkapselt wurden. Durch Variation der verwendeten Polymere wurden spezifische Eigenschaften in jedes System eingeführt, die zu unterschiedlichen Zellviabilitäten führten. Es wurden Mikrogele identifiziert in denen die kultivierten Zellen eine volle Lebensfähigkeit von bis zu drei Wochen aufwiesen. Die generierten Mikrogele eignen sich für die Langzeitimmobilisierung von Zellen, wobei sich die Zellen während der Verkapselung studieren und manipulieren lassen. Die etablierten dPG-Mikrogele wurden daraufhin zur Immunisolierung von Pankreas-β-Zellen verwendet, dass einen vielversprechenden Ansatz zur Therapie von Typ-1-Diabetes darstellt. Wegen der schlechten Zellüberlebensraten, die bereits einen Tag nach der Einbettung festgestellt wurden, wurden die Polymere neugestaltet, um eine höhere Ähnlichkeit mit der physiologischen extrazellulären Matrix von Pankreasinseln aufzuweisen. Daher wurde negativ geladenes sulfatiertes dPG- Polyazid (dPGS-polyazid) sowie homobifunktionelles PEG mit Cyclooctinen an seinen Enden (α, ω-bis(bicyclooctyn)-PEG) zur Erzeugung von beiden Mikro- und Makrogelen als Verkapselungssysteme eingesetzt. Ob im Mikrometer- oder Makrometerbereich, boten die dPGS-basierten Hydrogelgerüste den eingeschlossenen pankreatischen β-Zellen hoch biokompatible Umgebungen an. Die Zellen blieben vital über einen Monat in Kultur. Die ermittelte Insulinsekretion der Zellen vor und nach der Verkapselung in dPGS Makrogelen ergänzt die außergewöhnlich dokumentierten zellulären Viabilitäten und ist vielversprechend für ihre Anwendung für in vivo Studien der Inseltransplantation. Insgesamt können sich die entwickelten Gele nicht nur für die Zellimmobilisierung eignen, sondern auch für die Umhüllung und die de novo Freisetzung von verschiedenen therapeutischen, biologischen Ladungen wie Medikamenten, Proteinen und sogar genetischem Material. Dendritische Polyglycerine stellen aufgrund ihrer inhärenten günstigen Eigenschaften hervorragende Kandidaten für diese Anwendungen dar. Darüber hinaus weisen sie sich durch eine exzellente Modifizierbarkeit aus, die die Leistung der Gele optimieren und sogar noch längere Transplantatlebensdauer unterstützen könnten.