Carbohydrate-based Nanomaterials for Imaging and Drug Delivery

Abstract

Glykane sind auf der Oberfläche von lebenden Zellen zu finden und dadurch maßgeblich für biologische Prozesse wie beispielsweise die Interaktion von Zellen, Zellwachstum und deren Differenzierung verantwortlich. Multivalente, kohlenhydrat-basierte Nanomaterialien ermöglichen Studien für eine bessere Klassifizierung dieser Prozesse, da diese die biologischen Aktivitäten von Kohlenhydraten imitieren können. Zusätzlich sind Nanomaterialien sehr vielversprechend für die Entwicklung von bildgebenden Verfahren für biologische Prozesse und können für gezielten Wirkstofftransport eingesetzt werden. Im ersten Teil dieser Dissertation wird eine einfache und robuste Ein-Topf-Synthese von ultrakleinen Gold Nanopartikeln (2 nm) unter milden Bedingungen (Raumtemperatur) präsentiert, bei welcher Thioglukose sowohl als Reduktionsmittel als auch als Stabilisator verwendet wird (Kapitel 2). Die resultierenden monodispersen Gold-Nanopartikel zeichnen sich durch eine hohe Stabilität aus und konnten mit zwei verschiedenen Konjugationsmethoden modifiziert werden. Die nicht-zytotoxischen Nanokluster wurden mit radioaktiven Substanzen markiert und für in vivo Biodistributionsstudien verwendet, bei welchen eine Akkumulierung in fast allen Organen gefolgt von deren Ausscheidung innerhalb von 24 h beobachtet wurde. Die ultrakleinen, glykosylierten Gold Nanopartikel wurden zum Targeting der protozoischen Parasiten Plasmodium falciparum und Toxoplasma gondii verwendet (Kapitel 3). Diese besitzen cysteinreiche Domänen in ihren Oberflächenproteinen wodurch aufgrund der hohen Affinität von Gold und Thiolen eine zielgerichtete Bindung möglich ist. Die Gold-Nanopartikel konnten alle Blutstadien von P. falciparum, sowie T. gondii (intra- und extrazelluläre) effizient binden. Des Weiteren wurden Wirkstoffkonjugate für in vitro und in vivo Inhibitionsstudien hergestellt. Flache, scheibenförmige Nanopartikel aus mesoporösem Silica wurden hergestellt und auf deren biologische Anwendbarkeit getestet (Kapitel 4). Diese neuartigen Materialen wurden von HeLa Krebszellen internalisiert und zeigten einen besseren interzellulären Wirkstofftransport als deren sphärische Analoga. Der Einbau von Disulfideinheiten innerhalb des mesoporösen Silica-Gerüsts ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der steigenden Zahl von spaltbaren Bindungen auf die Brüchigkeit dieser Verbindungen und deren Einsetzbarkeit als Nanovektoren. Die Entwicklung bildgebender Verfahren zum Studium biologischer Prozesse wurde anhand multivalenter glykosylierter Nanopartikel durchgeführt (Kapitel 5). Im speziellen wurden ultrakleine, fluoreszierende Silikon-Nanopartikel mit Glukose und einem Radiotracer funktionalisiert und für in vivo Untersuchungen zur Überwindung der Blut- Hirn-Schranke verwendet. Des Weiteren wurden plasmonische Gold-Nanopartikel mit einer Auswahl an Kohlenhydraten konjugiert, um Kohlenhydrat-Protein-Interaktionen zwischen grünen Algen und Cyanobakterien zu visualisieren. Zusammenfassend wurde in der vorgelegten Arbeit gezeigt, dass glykosylierte Nanopartikel für die Nachahmung von biologischen Prozessen, die Entwicklung von bildgebenden Verfahren und für gezielten Wirkstofftransport eingesetzt werden können.

As glycans are exposed on the surface of living cells, they are instrumental in biological processes such as cell-cell interactions, cell growth and cell differentiation. Multivalent carbohydrate-based nanomaterials help clarify these processes by mimicking the biological activity of carbohydrates. Moreover, nanomaterials have high potential for the imaging of diseases or biological processes, and can be further engineered for controlled and targeted drug delivery. In the first part of this dissertation, a straightforward and robust room temperature one-pot synthesis of ultrasmall gold nanoparticles (2 nm) was developed using thio-glucose as a reducing and stabilizing agent (Chapter 2). The resultant monodisperse gold nanoparticles showed high stability and could be further functionalized using two different conjugation methods. These non-cytotoxic nanoclusters were radiolabeled for biodistribution studies in vivo, showing accumulation in almost all organs and clearance after 24 h. The developed ultrasmall glycosylated gold nanoparticles were utilized to target the protozoan parasites Plasmodium falciparum and Toxoplasma gondii (Chapter 3). These parasites contain cysteine-rich domains in their surface proteins and could potentially capture gold nanoparticles through the well-known thiol-gold affinity. The gold nanoparticles were able to efficiently bind all the blood stages of P. falciparum, and both intracellular and extracellular T. gondii. Drug conjugation was performed for further in vitro and in vivo inhibition studies. Flat discoidal mesoporous silica nanoparticles were synthesized and their biological applications were investigated (Chapter 4). These novel materials were internalized by HeLa cancer cells and showed increased intracellular drug delivery as compared to spherical analogues. Moreover, the introduction of cleavable disulfide moieties within the mesoporous silica framework enabled investigation of the impact of increasing cleavable bonds on the breakability and efficacy of these materials as nanovectors. Multivalent glycosylated nanoparticles were synthesized to image biological processes (Chapter 5). Ultrasmall fluorescent silicon nanoparticles were functionalized with glucose and a radiotracer in order to study the blood brain barrier crossing in vivo. Also, plasmonic gold nanoparticles were conjugated with a collection of carbohydrates for carbohydrate- protein interactions studies between green algae and cyanobacteria. In conclusion, the design and engineering of glycosylated nanoparticles allows mimicking biological processes, obtaining unknown information through imaging techniques, and producing targeted nanocarriers for controlled drug delivery.