In this thesis, an inverse nanoprecipitation approach, which is mild, surfactant free, and low energy consuming, has been applied to fabricate biodegradable nanogels based on a dendritic polyglycerol (dPG). A series of dPG-based macromolecular precursors were synthesized and the corresponding nanogel particles with tunable dimensions and narrow dispersity were generated in the process of in situ gelation via inverse nanoprecipitation. The obtained nanogels are promising candidates for the delivery of anticancer drugs and proteins due to their highly biocompatible scaffold. They were capable of transporting the guest molecules into cells and releasing them in response to the intracellular signals. In order to make use of multiple intracellular signals, a dual-responsive nanogel system with both pH and redox sensitivity was prepared by the thiol-disulfide exchange reaction. Thioctic acid functionalized dPG was synthesized as the macromolecular precursor, and a deficient amount of dithiothreitol (DTT) was used to cleave the lipoyl ring to the corresponding dihydrolipoyl groups that initiated the thiol-disulfide exchange reaction. The disulfide crosslinked network was degradable under intracellular redox conditions, thus producing small degradation fragments that could be cleared from the body. DOX was covalently conjugated with an acid labile hydrazone linker, which is stable under physiological conditions but cleavable in the acidic cell organelles. The prodrug nanogels can efficiently enter into tumor cells, release the drug in response to the intracellular environment, and ultimately induce the cell death. Another important intracellular signal is the higher concentration of ATP in cytosol compared to the extracellular environment. We designed a new ATP and pH dual- responsive degradable nanogel crosslinked with boronate ester bonds between 1,2-diols in dPG and boronic acid for the intracellular delivery of anticancer drugs. MTX was encapsulated by electrostatic interactions and can be rapidly released upon the treatment with ATP or acidic conditions. The nanogels could swell under organelle pH conditions, which facilitated the permeation of organelle membrane. Furthermore, in the presence of a cytosolic ATP concentration, the nanogels could degrade and release the drug payload in the cytosol. This new approach allows for a well-defined release of encapsulated drugs and showed higher efficacy than the free MTX. Positively charged nanoparticles possess higher affinity to the negatively charged cell membrane, which facilitates cellular uptake, whereas their severe cytotoxicity, strong interactions with blood components, and rapid clearance impede the in vivo applications. We fabricated a biodegradable zwitterionic nanogel with two- stage charge conversional properties for therapeutic protein delivery. The introduction of citraconic anhydride is, on the one hand, to provide carboxyl groups for complexing cytochrome C and offering the zwitterionic property for the first-stage charge conversion in the tumor extracellular environment, and, on the other hand, to form pH-cleavable citraconic amide that can release amino groups under the acidic organelle conditions for the second-stage charge conversion. Having escaped from the endosome, CC could be efficiently released due to the dissociation of the nanogel in the ATP-containing cytosol, which resulted in cell death by mitochondria dependent apoptosis. In the future, other pH cleavable linkers like β-thiopropionate, should be applied in the formation of biodegradable nanogels. Moreover, the nanoprecipitation method is facing a tremendous challenge in scaling up the production, which needs to be further improved. In addition, co-encapsulation of hydrophobic and hydrophilic drugs might be achieved in core-shell nanogels. To enhance the specific cellular uptake of neutral or negative nanogel particles those are usually less toxic but possess lower internalization efficiency compared to positive ones, the nanogels can be decorated with targeting moieties, such as antibodies, peptides, or small molecules.
In der vorliegenden Arbeit wurde die inverse Nanofällung, welche eine milde, Tensid-freie und energiesparende Methode darstellt, angewendet, um biodegradierbare Nanogele basierend auf dendritischem Polyglycerol (dPG) herzustellen. Eine Serie dPG-basierter Vorläuferpolymere wurde synthetisiert und diente dazu, die korrespondierenden Nanogelpartikel mit einstellbarer Dimension und geringer Polydispersität während der in situ Gelbildung durch inverse Nanofällung herzustellen. Durch ihr biokompatibles Gerüst stellen diese Nanogele vielversprechende Vehikel für den Transport und die Verabreichung von Krebsmedikamenten und Proteinen dar. Hierbei vermittelt das Nanogel die intrazelluläre Aufnahme des Gastmoleküls und dessen Freisetzung als Reaktion auf ein intrazelluläres Signal. Die Thiol-Disulfid- Austauschreaktion wurde dafür verwendet ein System zu entwickeln, welches sowohl sensitiv auf Unterschiede im pH-Wert als auch im Redox-Potential reagiert und somit verschiedene intrazelluläre Signale ausnützt. Als makromolekulare Vorstufe wurde dPG mit Liponsäure funktionalisiert. Eine geringe Menge Dithiothreitol (DTT) wurde dazu verwendet den Lipoyl-Ring zu spalten und dadurch Dihydrolipoyl-Gruppen zu generieren, welche die Thiol- Disulfid-Austauschreaktion initiieren. Eine Degradierung des durch Disulfidbrücken quervernetzten Netzwerk zu kleinen Fragmenten, welche vom Körper ausgeschieden und beseitigt werden können, wurde unter intrazellulären Redox-Bedingungen erreicht. An diese Nanogele wurde das Krebsmedikament Doxorubicin (DOX) kovalent über einen Säure-labilen Hydrazon-Linker, welcher unter physiologischen Bedingungen stabil ist, jedoch in sauren Zellorganellen gespalten wird, an das Nanogel, konjugiert. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Prodrug-Nanogel (pharmokologisch unwirksames Vorläufer-Nanogel) effizient in Zellen aufgenommen wird, das wirksame Medikament als Reaktion auf die intrazelluläre Umgebung abgibt und ultimativ zum Tod von (Krebs-) Zellen führt. Die zytosolisch erhöhte ATP-Konzentration kann als weiteres prominentes intrazelluläres Signal verwendet werden. Hierzu wurde ein degradierbares Nanogel für den intrazellulären Transport von Krebsmedikamenten entwickelt, welches auf einen niedrigen pH und einen erhöhten ATP-Spiegel reagiert. Die Quervernetzung der Nanogele erfolgt durch Boronat/Borat-Ester-Brücken zwischen den 1,2-Diolen des dPG und Boronsäuren. Das Krebsmedikament Methotrexat (MTX) wurde durch elektrostatische Wechselwirkungen in das Nanogel verkapselt und unter Einwirkung von erhöhter ATP-Komzentration oder saurem pH schnell freigesetzt. die Nanogele schwellen bei saurem pH, wie er in sauren Zellorganellen herrscht, an und fördern dadurch die Permeation durch die Zellorganellenmembran. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Nanogele im Cytosol durch den erhöhten ATP-Gehalt degradieren und ihre Ladung freisetzen. Dieser neue Ansatz erlaubt es, das verkapselte Medikament definiert und zielgenau freizusetzen und dadurch dessen Wirkung gegenüber dem freien MTX zu verstärken. Positiv geladene Nanopartikel besitzen eine höhere Affinität zu den negativ geladenen Zellmembranen, wodurch ihre zelluläre Aufnahme gefördert wird. Allerdings erhöht sich dadurch auch die Zytotoxizität, es treten stärkere Wechselwirkungen mit Blutbestandteilen auf und die Clearance (Beseitigung aus der Blutbahn) ist beschleunigt, weshalb in vivo Applikationen nicht in Frage kommen. Um diese Probleme zu umgehen, wurde ein degradierbares zwitterionisches Nanogel, welches seine Ladung in zwei Stufen konvertieren kann, für den Transport von therapeutischen Proteinen entwickelt. Durch Einführung von Citraconsäureanhydrid in das Nanogel werden zum einen Carboxygruppen zur Komplexierung von Cytochrom C (CC) bereitgestellt sowie die zwitterionischen Eigenschaften für die erste Stufe der Ladungsumwandlung auf Grund der extrazellulären Bedingungen im Tumorgewebe vermittelt, zum anderen wird das pH-spaltbare Citraconicamid gebildet, welches bei saurem Zellorganell-pH Aminogruppen für die zweite Stufe der Ladungsumwandlung abspalten kann. Nach dem Austritt aus dem Endosom kann das CC effizient freigesetzt werden, da das Nanogel durch den erhöhten ATP-Gehalt im Cytosol dissoziiert. Dies führt zu zum Zelltod durch Mitochondrien- abhängige Apoptose. In Zukunft könnten weitere spaltbare Linker wie Didodecyl-3,3'-thiodipropionat zur Bildung von biodegradierbaren Nanogelen verwendet werden. Zudem stellt die Nanofällung in größerem Maßstab eine weitere Herausforderung dar. Darüber hinaus bergen Kern-Schale-Architekturen das Potential hydrophobe und hydrophile Medikamente gleichzeitig zu verkapseln. Die spezifische Aufnahme von neutralen oder negativ geladenen Nanopartikeln, welche üblicherweise weniger toxisch sind allerdings schlechter aufgenommen werden als positiv geladene Nanopartikel, könnte durch Dekoration der Nanogele mit spezifischen Zielmolekülen, z.B. Antikörpern, Peptiden oder kleinen Molekülen, verbessert werden.
