Entwicklung und Charakterisierung nanopartikulärer Systeme auf Basis biokompatibler Copolymere zur Anwendung in der Medizin

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Verwendung von biokompatiblen Homo- und Copolymeren aus Poly-(ethylenoxid) und Glutaminsäure bzw. Asparaginsäure als neue Beschichtungsmaterialien in der Medizin zu untersuchen. Der Einsatz der beschichteten Nanopartikel als Kontrastmittel für die Magnet-Resonanz- Tomographie wurde in Tierversuchen getestet. Außerdem wurde auf Aspekte der Synthese der Copolymere eingegangen und die Komplexbildung mit einem Arzneistoff untersucht. Durch die Kombination von Mössbauer-Spektroskopie und Röntgendiffraktometrie konnte gezeigt werden, dass es sich bei den Nanopartikeln ausschließlich um Maghemit handelte. Dabei betrug die Größe einer Maghemit-Domäne jeweils 12 nm. Mit allen verwendeten Polymeren wurden unter physiologischen Bedingungen stabile Maghemit-Partikel im Größenbereich von 50 bis 160 nm hergestellt. Die Verwendung von Blockcopolymeren aus PEO und Poly-(aminosäure)n zur Beschichtung der Maghemit-Partikel führte zu einer verbesserten Stabilisierung der Partikel unter physiologischen Bedingungen im Vergleich zu den Homopolymeren. Durch eine Veränderung der Länge des anionischen Poly-(aminosäure)-Block, der Menge der zur Beschichtung verwendeten Copolymere und der zusätzliche Verwendung von Polyethylenimin war es möglich, unter physiologischen Bedingungen stabile Partikel mit Zetapotentialen im negativen, neutralen und positivem Bereich zu erhalten. Das Komplexierungsverhalten des Arzneistoffs Diminazen wurde mit Blockcopolymeren aus PEO und der Aminosäure Glutaminsäure untersucht. Durch Komplexierung und Selbstorganisation bildeten sich Nanopartikel mit einem hydrodynamischen Durchmesser von 32 nm und einem Polydispersitätsindex von 0.1. Diminazen band dabei nur mit einer seiner beiden möglichen Bindungsstellen an das Polymer. Diminazen stabilisierte effektiv die Sekundärstruktur der Poly-(glutaminsäure) und induzierte durch die Komplexierung mit den Copolymeren die Bildung der alpha-Helix des Poly-(glutaminsäure)-Blocks bei pH-Werten, an denen der Poly-(glutaminsäure)-Block ohne Diminazen in der Knäuel-Konformation vorliegt. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass der PEO-Block des Blockcopolymers bei der Komplexierung mit Diminazen keinen Einfluss auf die Konformationsänderung der Poly-(glutaminsäure) hat. Die Anwendung beschichteter Nanopartikel als Kontrastmittel für die Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) wurde in vivo untersucht. Die Ergebnisse der ersten Versuche an Ratten zeigten, dass die Partikel einen starken Kontrast in der MRT geben und eine gute Biokompatibilität besitzen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die Verteilung und Aufnahme von Partikeln im Tier und in der Zellkultur in Abhängigkeit vom Zetapotential bei konstanter Größe und konstanter äußerer Beschichtung zu untersuchen und zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen physikalisch- chemischen Eigenschaften von Partikeln und deren Verhalten in biologischen Systemen beizutragen.

The task of this work was to investigate the use of biocompatible homo- and copolymers out of poly(ethylene oxide) (PEO) and poly(glutamic acid) or poly(aspartic acid) for possible medical applications. The stability of the particles as well as the influence of the molecule architecture on the particle size and on the zeta potential of the coated particles has been tested under physiological conditions. Mössbauer spectroscopy revealed that the iron oxide, which formed the core of the particles, was only present as Fe(III) in the form of superparamagnetic maghemite nanocrystals. The combination of Mössbauer spectroscopy and X-ray diffraction revealed that the size of the maghemite domains was 12 nm and that only maghemite was present. The use of block copolymers from PEO and poly(aspartic acid) or poly(glutamic acid) for coating of the maghemite particles resulted in an improved stabilization of these particles at physiological conditions compared to the homopolymers. The PEO-blocks affected the stability of the particles critically in copolymers made of PEO and glutamic acid. An effective stabilization of the maghemite particles required a constant PEO concentration independent of the type of the copolymer (block or graft copolymer) and of the number of PEO chains in the polymer. The complexation between the water soluble drug diminazene and blockcopolymers out of PEO and a poly(L-glutamate) block was described. In this study, we have found that complexes in the form of nanoparticles with a mean hydrodynamic radius of 16 nm and low polydispersity (P.I. = 0.1) were spontaneously formed by the complexation of poly(ethylene oxide)-block-poly(L-glutamate) with diminazene. Only one of two possible binding sites of each diminazene molecule was involved in complexation. Circular dichroism measurements showed that the highly water- soluble diminazene can induce and stabilize the alpha-helical secondary structure of a poly(L-glutamate) block. The helix-to-coil transition of the poly(L-glutamate) blocks is remarkably shifted from pH 5 to pH 12. Magnetic resonance imaging (MRI) experiments on living rats indicated that the nanoparticles are useful as a MRI contrast agent. The preliminary MRI experimental results showed that the particles cause a strong MRI contrast and indicated that they possess biocompatibility. Summarizing the results of this thesis shows that it is possible to synthesis nanoparticles out of maghemite and biocompatible block copolymers with different zetapotentials. These particles are stable under physiological conditions and gave a strong contrast in MRI experiments on rats. With such particles it is possible to investigate the behavior of particles of different zetapotentials and same size and outer shell in vivo or in vitro. The ability of the tested blockcopolymers to build complexes with a drug and to stabilize nanoparticles under physiological conditions makes it possible to develop drug loaded contrast agents that combine diagnostic and therapeutic aspects.