In der neurodegenerativen Alzheimer Krankheit (AD) ist neben anderen Einflüssen Kupfer (Cu) ein starker Einflussfaktor. Im Gehirn von AD-Patienten kommt es zu einer gestörten Cu-Homöostase. Cu beeinflusst die Expression, Lokalisierung und Prozessierung von „amyloid precursor protein“ (APP), aus dem durch proteolytische Spaltung toxische Amyloid--Peptide (A) entstehen können, die als ursächlich für die AD angesehen werden. Von daher ist die Verabreichung von Cu(II) ein potenzieller therapeutischer Ansatz und die Auswirkungen einer Cu(II)-Gabe auf die AD-Symptomatik wurden bereits in mehreren in vitro und in vivo Studien untersucht. In der vorliegenden Arbeit werden drei Nanopartikel (NPs) näher charakterisiert, die mit Cu(II)-Ionen beladen werden können und damit ein Vehikel für eine Cu-basierte Therapie darstellen könnten. Diese NPs wurden strukturell in ihren chemischen Eigenschaften untersucht und in zellulären Systemen sowie im Mausmodell getestet. Alle drei NPs weisen eine dendritische Kern-Hülle-Architektur auf. Bei CMS („core-multishell NP“) wird Cu(II) im Polyethylenimin-Kern (Freedman et al.) gebunden. Bei den beiden strukturell gleich aufgebauten, sich aber in der Größe unterscheidenden „core-shell NPs“ (CSNPs) hingegen erfolgt die Cu(II)-Bindung in der N1,N1,N2-Trimethylethan-1,2-diamin-Hülle (TMEDA). Zu den untersuchten Eigenschaften der NPs gehören die Cu(II)-Bindekapazität, die Cu(II)-Bindespezifität, die pH-abhängige Cu-Freigabe und die zelluläre Toxizität. Darauf aufbauend konnte gezeigt werden, dass eine Cu/NP-Behandlung im Zellkultur-System zu gesteigerten zellulären Cu-Konzentrationen und größtenteils zu einer erhöhten Cu-Bioverfügbarkeit führt. Zudem wurde der Effekt auf die APP-Prozessierung in vitro untersucht. Mit Hilfe eines eigens etablierten in vitro-Modells der Bluthirnschranke (BBB) konnte gezeigt werden, dass die beiden Cu/NP-Komplexe Cu/CMS und Cu/CSNP1 mutmaßlich die BBB passieren können, während Cu/CSNP2 diese Barriere nicht überwinden kann. Aufgrund aussichtsreicher Eigenschaften wie erhöhter Cu-Bioverfügbarkeit und BBB-Gängigkeit wurde Cu/CSNP1 im Tierversuch mit AD-Mäusen getestet. Die erhofften positiven Auswirkungen, wie erhöhte Cu-Konzentrationen im Gehirn oder verringerte A-Konzentrationen, ließen sich jedoch nicht beobachten. Insgesamt zeigten sich in vitro vielversprechende Eigenschaften der Cu/NP- Komplexe in Hinblick auf eine mögliche therapeutische Behandlung der AD, allerdings wurden auch Defizite in den zellulären Auswirkungen der Cu/NPs festgestellt. Die dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können genutzt werden, die NPs dank der vielfältigen Modifikationsmöglichkeiten hinsichtlich ihres strukturellen Aufbaus, ihrer Größe und ihrer Ladung zielgerichtet weiterzuentwickeln.
In the neurodegenerative Alzheimer’s disease (AD) copper (Cu) has a big impact, among other factors. In the brain of AD patients an imbalanced Cu homeostasis was detected. Furthermore, Cu influences expression, localization and processing of amyloid precursor protein (APP). Proteolytic cleavage of APP can result in the generation of toxic amyloid- peptides (A), which are seen as the cause for AD. Therefore Cu(II) treatment is seen as a potential therapeutic approach and was already investigated in several in vitro and in vivo studies. On this background three different nanoparticles (NPs), that can bind Cu(II) ions were analyzed as a part of this thesis. The NPs were examined with regard to their chemical properties and their behavior in cellular systems as well as in a mouse model. The three NPs are composed of a dendritic core-shell architecture. The core-multishell NP (CMS) is able to bind Cu(II) within the polyethylenimine (PEI) core. In contrast, the Cu(II) binding of the two core-shell NPs (CSNPs) takes place in the N1,N1,N2-trimethylethane-1,2-diamine (TMEDA) shell. CSNP1 and CSNP2 have an identical composition, but differ in their size. The characteristics of the Cu/NP complexes like Cu(II)-binding capacity, Cu(II)-binding specificity, pH- dependent Cu release and cellular toxicity were analyzed. Additionally, it was revealed that Cu/NP treatment leads to an increase of the cellular Cu level and for the most parts to an increased cellular Cu bioavailability. Furthermore, the influence of the APP cleavage was investigated in vitro. Establishing an in vitro model of the blood-brain barrier (BBB) it could be revealed, that the two NPs Cu/CMS and Cu/CSNP1 have the ability to cross the BBB, whereas the Cu/CSNP2 is not able to pass this barrier. Due to these promising results, e.g. Cu bioavailability and BBB-crossing ability, Cu/CSNP1 was tested in an AD-mouse model. Unfortunately, no positive effects like increased Cu levels in the brain or decreased A levels were detected. In general, many promising properties of the Cu/NP complexes were determined in vitro that support a therapeutic approach for AD. On the other hand, a couple of deficits were found regarding the cellular effects of the Cu/NPs. The findings of this thesis will help to optimize the NPs due to the large array of possibilities to change their composition, size and charge, and could overall lead to a prospective development for this therapeutic approach easing AD.
