dc.contributor.author
Zhang, Xuejiao
dc.date.accessioned
2018-06-07T16:40:17Z
dc.date.available
2015-07-27T09:57:06.400Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/2871
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-7072
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
dendritic polyglycerol
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie
dc.title
Dendritic Polyglycerol-Based Degradable Nanogels for Transport and Delivery of
Bioactive Molecules
dc.contributor.contact
zhangxuejiao1985@gmail.com
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Rainer Haag
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Beate Koksch
dc.date.accepted
2015-06-24
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000099684-1
dc.title.translated
Biodegradierbare Nanogele basierend auf dendritischem Polyglycerol für den
Transport und die Verabreichung von bioaktiven Molekülen
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000099684
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000017465
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access