Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit peptidischen Seitenketten

Die Forschung im Bereich der Drug Delivery-Systeme konzentriert sich auf biokompatible und wenig immunogene Trägermoleküle. Eine Klasse vielversprechender Trägersysteme stellen Peptid basierte Polymere dar, die neben einer hohen Biokompatibilität auch eine Sensitivität gegenüber externen Einflüssen aufweisen. Der zwitterionische Charakter von Aminosäuren und Peptiden verhindert die Adsorption von Serumproteinen und ein „antifouling“ Verhalten kann festgestellt werden, sodass diese Moleküle für den Einsatz als Wirkstoffträgersystem sehr geeignet scheinen. In Kombination mit einer bürstenartigen Struktur entstehen Systeme mit einer einzigartigen Peptidarchitektur, die sich durch eine hohe Dichte funktioneller Gruppen für Konjugationsreaktionen auszeichnen und deren formabhängige Zellaufnahme sie besonders attraktiv für die Anwendung als „Nanocarrier“ macht.rnrnDas zwitterionische Poly-(ε-N-Methacryloyl-L-Lysin) (Mw = 721,000 g∙mol 1) wurde durch freie radikalische Polymerisation dargestellt und seine Konformation in Abhängigkeit von Ionenstärke und pH-Wert untersucht. Die Biokompatibilität des Systems konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden. Zusammen mit der vernachlässigbaren unspezifischen Aufnahme in dendritische Zellen aus Knochenmark erfüllt das System damit alle Bedingungen, die an ein polymeres Wirkstoffträgersystem gestellt werden. Darüber hinaus können Komplexe des Polymers mit DNA in Gegenwart von divalenten Metallionen für die Gentransfektion verwendet werden.rnrnDurch Kopplung von ε-N-Methacryloyl-L-Lysin mit der Elastin-ähnlichen Polypeptid Pentasequenz Valin-Prolin-Glycin-Glycin-Glycin konnte ein Hexapeptid-Makromonomer dargestellt werden, welches anschließend mittels „grafting through“ Polymerisation zur Polymerbürste umgesetzt wurde. Die wurmartige Struktur der Polymerbürsten wurde in AFM-Aufnahmen gezeigt und eine hohe Kettensteifigkeit der Polymerbürsten über dynamische und statische Lichtstreuung nachgewiesen. Zirkulardichroismus-Messungen lieferten Informationen über struktur-, salz- und temperaturabhängige Veränderungen der Konformation. Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum bestätigten die erwartete Biokompatibilität.rnrnBasierend auf zwei Elastin-ähnlichen Polypeptiden mit ähnlicher Peptidsequenz wurden insgesamt vier unterschiedliche Makromonomere mit jeweils 20 Pentapeptid-Wiederholungseinheiten dargestellt. Über anschließende „grafting through“ Polymerisation entstanden molekulare Bürstenmoleküle mit variierenden externen funktionellen Gruppen, die für zukünftige Konjugationsreaktionen verwendet werden können. Der Einfluss von Ionenstärke und Temperatur auf die Konformation der Makromonomere und Polymere wurde mittels Zirkulardichroismus- und Trübungskurven-Messungen untersucht und ein starker Einfluss der hohen Seitenkettendichte auf das Verhalten der Polymerbürsten wurde festgestellt. Über dynamische Lichtstreuung konnte ein von den externen funktionellen Gruppen abhängiges Aggregationsverhalten in humanem Blutserum nachgewiesen werden.rnrnDie in dieser Arbeit synthetisierten Polymerbürsten mit peptidischen Seitenketten stellen damit biokompatible und vielversprechende Trägersysteme für die Konjugation mit Biomolekülen dar, die zukünftig als Drug Delivery-Systeme ihren Einsatz finden können.rn

In recent years the intensive research on new drug delivery systems enforced the demand for biocompatible, low immunogenic carrier systems suitable for conjugation of biologically active compounds. Peptide based polymers serve as good nanocarriers due to their high biocompatibility and sensitivity to environmental triggers. Since peptide based polymers comprising a zwitterionic character show antifouling properties and low protein adsorption from human blood, their application as nanocarrier systems is favorable. rnThe combination of a cylindrical polymer brush topology with the stimuli-responsive behavior of amino acids and peptides generates polymer brushes with unique polypeptide architecture and tunable physical properties with a high density of functional groups for conjugation reactions. rnrnA zwitterionic poly-ε-N-methacryloyl-L-lysine (Mw = 721,000 g∙mol 1) was synthesized and the ionic strength and pH dependent conformational properties were studied. The low cell toxicity and dynamic light scattering studies in human blood serum revealed the biocompatibility of the system. Together with a negligible unspecific cellular uptake, the zwitterionic polymer exhibits properties fundamental for the application as nanocarrier for immunotherapy in cancer treatment. Furthermore complexes of the polymer with DNA and divalent metal ions can be used for gene transfection. rnrnA macromonomer comprising a zwitterionic elastin-like polypeptide (ELP) was successfully synthesized by coupling the ε-N-methacryloyl-L-lysine monomer to the ELP pentapeptide repeat unit Valine-Proline-Glycine-Glycine-Glycine. High molecular weight cylindrical polymer brushes were obtained by free radical polymerization of the hexapeptide macromonomers via “grafting through”, which were demonstrated to exhibit a high chain stiffness as revealed by static and dynamic light scattering and AFM. Structural, salt and temperature dependent conformational changes were determined via CD spectroscopy and turbidity measurements. The expected biocompatibility of the system was shown by toxicity studies and dynamic light scattering experiments in human blood serum. rnrnBased on two similar elastin-like polypeptides with each 20 pentapeptide repeating units, four distinct macromonomers were synthesized. Subsequent “grafting through” polymerization of the macromonomers afforded polymer brushes with varying external functional groups suitable for further conjugation experiments. The influence of salt and temperature on the conformation of the macromonomers and polymers was studied via CD spectroscopy, turbidity measurements and light scattering demonstrating the impact of the locally high ELP concentration in the brush molecules. Dynamic light scattering of the polymer brushes in human blood serum showed the strong influence of the external groups on the aggregation formation with serum proteins.rnrnHence, the synthesized polymer brushes with peptide based side chains represent biocompatible and promising nanocarriers which are suitable for application in drug delivery.rn