Visualization, manipulation and force spectroscopy of cylindrical polymer brushes

The Ph.D. thesis deals with the conformational study of individual cylindrical polymer brush molecules using atomic force microscopy (AFM). Imaging combined with single molecule manipulation has been used to unravel questions concerning conformational changes, desorption behavior and mechanical properties of individual macromolecules and supramolecular structures. In the first part of the thesis (chapter 5) molecular conformations of cylindrical polymer brushes with poly-(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) side chains were studied in various environmental conditions. Also micelle formation of cylindrical brush-coil blockcopolymers with polyacrylic acid side chains and polystyrene coil have been visualized. In chapter 6 the mechanical properties of single cylindrical polymer brushes with (PNIPAM) side chains were investigated. Assuming that the brushes adopt equilibrium conformation on the surface, an average persistence length of lp= (29 ± 3) nm was determined by the end-to-end distance vs. contour length analysis in terms of the wormlike chain (WLC) model. Stretching experiments suggest that an exact determination of the persistence length using force extension curves is impeded by the contribution of the side chains. Modeling the stretching of the bottle brush molecule as extension of a dual spring (side chain and main chain) explains the frequently observed very low persistence length arising from a dominant contribution of the side chain elasticity at small overall contour lengths. It has been shown that it is possible to estimate the “true” persistence length of the bottle brush molecule from the intercept of a linear extrapolation of the inverse square root of the apparent persistence length vs. the inverse contour length plot. By virtue of this procedure a “true” persistence length of 140 nm for the PNIPAM brush molecules is predicted. Chapter 7 and 8 deal with the force-extension behavior of PNIPAM cylindrical brushes studied in poor solvent conditions. The behavior is shown to be qualitatively different from that in a good solvent. Force induced globule-cylinder conformational changes are monitored using “molecule specific force spectroscopy” which is a combined AFM imaging and SMFS technique. An interesting behavior of the unfolding-folding transitions of single collapsed PNIPAM brush molecules has been observed by force spectroscopy using the so called “fly-fishing” mode. A plateau force is observed upon unfolding the collapsed molecule, which is attributed to a phase transition from a collapsed brush to a stretched conformation. Chapter 9 describes the desorption behavior of single cylindrical polyelectrolyte brushes with poly-L-lysine side chains deposited on a mica surface using the “molecule specific force spectroscopy” technique to resolve statistical discrepancies usually observed in SMFS experiments. Imaging of the brushes and inferring the persistence length from a end-to-end distance vs. contour length analysis results in an average persistence length of lp = (25 ± 5) nm assuming that the chains adopt their equilibrium conformation on the surface. Stretching experiments carried out on individual poly-L-lysine brush molecules by force spectroscopy using the “fly-fishing” mode provide a persistence length in the range of 7-23 nm in reasonable accordance with the imaging results. In chapter 10 the conformational behavior of cylindrical poly-L-lysine brush-sodium dodecyl sulfate complexes was studied using AFM imaging. Surfactant induced cylinder to helix like to globule conformational transitions were observed.

Mesenchymal stromal cell: new applications for regenerative medicine

In the last decades mesenchymal stromal cells (MSC), intriguing for their multilineage plasticity and their proliferation activity in vitro, have been intensively studied for innovative therapeutic applications. In the first project, a new method to expand in vitro adipose derived-MSC (ASC) while maintaining their progenitor properties have been investigated. ASC are cultured in the same flask for 28 days in order to allow cell-extracellular matrix and cell-cell interactions and to mimic in vivo niche. ASC cultured with this method (Unpass cells) were compared with ASC cultured under classic condition (Pass cells). Unpass and Pass cells were characterized in terms of clonogenicity, proliferation, stemness gene expression, differentiation in vitro and in vivo and results obtained showed that Unpass cells preserve their stemness and phenotypic properties suggesting a fundamental role of the niche in the maintenance of ASC progenitor features. Our data suggests alternative culture conditions for the expansion of ASC ex vivo which could increase the performance of ASC in regenerative applications. In vivo MSC tracking is essential in order to assess their homing and migration. Super-paramagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) have been used to track MSC in vivo due to their biocompatibility and traceability by MRI. In the second project a new generation of magnetic nanoparticles (MNP) used to label MSC were tested. These MNP have been functionalized with hyperbranched poly(epsilon-lysine)dendrons (G3CB) in order to interact with membrane glycocalix of the cells avoiding their internalization and preventing any cytotoxic effects. In literature it is reported that labeling of MSC with SPION takes long time of incubation. In our experiments after 15min of incubation with G3CB-MNP more then 80% of MSC were labeled. The data obtained from cytotoxic, proliferation and differentiation assay showed that labeling does not affect MSC properties suggesting a potential application of G3CB nano-particles in regenerative medicine.

Synthese und Charakterisierung von zylindrischen Bürsten mit Polypeptidseitenketten

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die grafting-from-Methode verschiedene geschützte Polypeptidbürsten basierend auf L-glutaminsäure, L-asparaginsäure, L-lysin und L-ornithin synthetisch zugänglich sind. Zur Verwirklichung dieser Synthesestrategie wurde mehrstufig ein Makroinitiator auf Basis von N-methacrylamid-1,6-diaminohexan hergestellt, der die ringöffnende Polymerisation von Leuchs´schen Anhydriden zur Entwicklung von geschützten Polypeptidseitenketten initiieren kann. Durch stark saure bzw. alkalische Abspaltbedingungen war es möglich, die Schutzgruppen bei allen geschützten Bürsten bis auf eine Spezies erfolgreich zu entfernen. Weitergehende Untersuchungen an den positiv bzw. negativ geladenen Polyelektrolytbürsten mittels statischer Lichtstreuung und Kapillarelektrophorese zeigten, dass lediglich die Z-geschützten Poly-L-lysinbürsten ohne Kettenabbau entschützt werden konnten. In allen anderen Fällen wurden nach Abspaltung der Schutzgruppen lineare Kettenfragmente detektiert. Durch die Zugabe von NaClO4 oder Methanol zu den wässrigen Lösungen der Poly-L-lysinbürsten konnte mittels CD-Spektroskopie gezeigt werden, dass die Seitenketten von einer ungeordneten Konformation in eine helikale Konformation übergehen. In weiterführenden Experimenten wurde mittels statischer Lichtstreuung, dynamischer Lichtstreuung, SAXS, und AFM-Aufnahmen in Lösung bewiesen, dass die helikale Konformation der Seitenketten eine deutliche Abnahme des Zylinderquerschnitts und des Querschnittträgheitsradius zur Folge hat, die Topologie der Bürste allerdings unverändert bleibt. Weiterhin konnte mittels Kapillarelektrophorese die elektrophoretische Mobilität der Poly-L-lysinbürsten und ihrer linearen Analoga bestimmt werden. Mit diesen Resultaten war es in Kombination mit statischen Lichtstreuexperimenten möglich, die effektive Ladung von linearem und verzweigten Poly-L-lysin nach einer Theorie von Muthukumar zu berechnen. Das Ergebnis dieser Rechnungen bestätigt die Ergebnisse früherer Untersuchungen von Peter Dziezok, der in seiner Dissertation durch Leitfähigkeits und Lichtstreumessungen an linearem PVP und PVP-Bürsten herausfand, dass die effektive Ladung von Polymerbürsten mindestens um einen Faktor 10 kleiner ist als bei den korrespondierenden linearen Analoga.

Polykation-DNA-Komplexe : Eigenschaften und Anwendung in der Gentransfektion

Polykationen bilden mit DNA spontan Komplexe. Triebkraft ist der Entropiegewinn durch Freisetzung der Gegenionen auf den Polyelektrolyten. Solche Komplexe können in der Gentechnik verwendet werden, um fremde DNA in eine Zelle einzuschleusen. Dies bezeichnet man als Gentransfektion. In dieser Arbeit werden erstmals bürstenförmige Polykationen mit wurmförmiger Topologie zur Gentransfektion verwendet. Dazu wurde die Komplexierung von DNA mit Bürstenpolymeren mit Poly-L-Lysin- und Polyvinylpyridinium-Seitenketten und linearen Polykationen untersucht. Die Komplexbildung verläuft in allen Fällen kinetisch kontrolliert, alle Polykationen bilden sphärische Komplexe, die Topologie hat keinen Einfluss auf die Komplexgröße. Komplexe aus Bürstenpolymeren transfizieren mehr als 25% der gesamten Zellpopulation bei Schweinehirnendothelzellen. Gegenüber dem kommerziellen Transfektionsmittel Lipofektamin konnte eine deutliche Steigerung um bis zu 400% erreicht werden. Komplexe, die mit linearen Analoga gebildet wurden, zeigten bei gleicher Komplexgröße Transfektionsraten unter 5%. Freisetzungsversuche zeigen, dass die Komplexe, die gut transfizieren, recht labil sind, also die DNA unter Kompetitoreinfluss freisetzen können. Stabile Komplexe haben geringe Transfektionseffizienzen. Ebenso wichtig ist der Schutz der DNA vor Abbau durch DNase. Die PVP-Bürste bietet als einziges der untersuchten Polykationen diesen Schutz und zeigt auch die besten Transfektionsraten. Zusätzlich zu der medizinischen Anwendung wurde die Kinetik der Komplexbildung untersucht. Dazu wurde ein spezieller Aufbau entwickelt, der es ermöglicht die Streuintensität der Komplexlösung bei kleinen Streuwinkeln zeitaufgelöst im Millisekundenbereich zu detektieren. Die Komplexbildung verläuft diffusionskontrolliert, im Bereich von Ladungsverhältnissen (positive zu negativen Ladungen) von 1.8 bis 4.0 schließt sich ein fraktales Wachstum an.

Towards antibody-mediated targeting of dendritic cells for cancer immunotherapy with multivalent polymer-antigen conjugates

Der Fokus dieser Arbeit lag auf der definierten Synthese multifunktioneller Polymer-Konjugate zur Anwendung in der Krebs-Immunotherapie. Durch gezielte Variation der Kon-jugationsbedingungen wurde Zusammensetzung, Größe und Aggregationsverhalten in Zell-medium sowie in humanem Serum untersucht. Nach definierter physikalisch-chemischer Charakterisierung wurde dann die induzierte Antigen-Präsentation zur Aktivierung der T-Zellproliferation analysiert.rnDafür wurden zwei verschiedene polymere Carrier-Systeme gewählt, lineares Poly-L-lysin und eine Polylysinbürste (PLL-Bürste). Es wird vermutet, dass die PLL-Bürste aufgrund der anisotropen Form eine bessere Verteilung im Körper und eine verlängerte Zirkulationsdauer zeigen wird. Die zu konjugierenden biologisch aktiven Komponenten waren der antiDEC205-Antikörper (aDEC205) für die gezielte Adressierung CD8-positiver dendritischer Zellen (DC), ein Ovalbumin (OVA)-spezifisches Antigen mit der Kernsequenz SIINFEKL für die Spezifität der Immunantwort gegen Krebszellen, die dieses Antigen tragen, und ein immunaktivieren-der TLR9-Ligand, CpG1826. Die Effizienz dieses Konjugates dendritische Zellen zu aktivieren, welche wiederum eine Immunantwort gegen OVA-exprimierende Krebszellen induzieren, wurde durch die Konjugation aller Komponenten am identischen Trägermolekül deutlich höher erwartet.rnLineares Poly-L-lysin diente als Modellsystem um die Konjugationschemie zu etablieren und dann auf die zylindrische Polylysinbürste zu übertragen. Anhand dieser polymeren Träger wurde das Verhalten der verschiedenen Topologien des Knäuels und der Bürste im Hinblick auf den Einfluss struktureller Unterschiede sowohl auf Konjugationsreaktionen als auch auf das in situ und in vitro Verhalten untersucht.rnFluoreszenzmarkiertes Antigen und der CpG Aktivator konnten jeweils aufgrund einer Thiol-Modifizierung an die Thiol-reaktive Maleimidgruppe des heterobifunktionellen Linkers Sulfo-SMCC an PLL-AlexaFluor48 konjugiert werden. Anschließend wurde aDEC205-AlexaFluor647 an PLL gekoppelt, entweder durch Schiff Base-Reaktion des oxidierten Antikörpers mit PLL und anschließender Reduzierung oder durch Click-Reaktion des PEG-Azids modifizierten An-tikörpers mit Dicyclobenzylcyclooctin (DIBO)-funktionalisiertem PLL. Die Konjugation der biologisch aktiven Komponenten wurde mit Durchflusszytometrie (FACS) und konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) untersucht und die Zusammensetzung des Konjugatesrnmittels UV/Vis-Spektroskopie bestimmt. Die PLL-Bürste alleine zeigte eine hohe Zytotoxizität bei HeLa und JAWS II Zelllinien, wohingegen lineares PLL und PLL-Konjugate sowie die PLL Bürsten-Konjugate keine ausgeprägte Zytotoxizität aufwiesen. Die Polymer-Konjugate wie-sen keine Aggregation in Zellmedium oder humanem Serum auf, was mittels winkelabhängi-ger dynamischer Lichtstreuung bestimmt wurde. CLSM Aufnahmen zeigten Kolokalisation der an die einzelnen Komponenten gebundenen Fluoreszenzfarbstoffe in dendritischen Zel-len, was die erfolgreiche Konjugation und Internalisierung der Konjugate in die Zellen bele-gen konnte. FACS Messungen ergaben eine geringfügig erhöhte Aufnahme des adressierten PLL-Antigen-Antikörper-Konjugates verglichen mit dem PLL-Antigen-Konjugat. Experimente mit dem „Specific Hybridization Internalization Sensor“ (SHIP) zeigten jedoch nur Aufnahme der PLL-Konjugate in CD8+ unreife DC, nicht in reife DC, die nicht mehr unspezifisch, sondern nur noch über Rezeptoren internalisieren. Dies bewies die unspezifische Aufnahme des Kon-jugates, da Antikörper-Konjugation keine Rezeptor-vermittelte Endozytose in reife DC indu-zieren konnte. T-Zell-Proliferationsassays ergaben eine Aktivierung von CD8+ T-Zellen indu-ziert durch Antigen-tragende Konjugate, wohingegen Konjugate ohne Antigen als Negativ-kontrollen dienten und keine T-Zell-Proliferation erzielten. Es konnte jedoch kein Unter-schied zwischen adressierten und nicht adressierten Konjugaten aufgrund der unspezifischen Aufnahme durch das Polymer beobachtet werden. Lösliches SIINFEKL alleine bewirkte schon bei geringeren Konzentrationen eine T-Zell-Proliferation.rnEs war somit möglich, drei biologischen Komponenten an einen polymeren Träger zu konju-gieren und diese Konjugate im Hinblick auf Zusammensetzung, Größe, Internalisierung in dendritische Zellen und Aktivierung der T-Zell-Proliferation zu untersuchen. Außerdem wur-de die Konjugationschemie erfolgreich von dem Modellsystem des linearen PLL auf die PLL-Bürste übertragen. Die Polymer-Konjugate werde unspezifisch in DC aufgenommen und in-duzieren T-Zellproliferation, die mit Antigen-Präsentationsassays nachgewiesen wird. Es konnte jedoch durch Konjugation des Antikörpers keine Rezeptor-vermittelte Aufnahme in CD8+ DC erzielt werden.rnDiese Studien stellen einen erfolgsversprechenden ersten Schritt zur Entwicklung neuer Na-nomaterialien für die Anwendung in Krebs-Immuntherapie dar.

Synthese und Charakterisierung von polymerbasierten Trägersystemen für biomedizinische Anwendungen

Polymer-Therapeutika spielen im Bereich der Arzneimittelforschung eine immerrngrößere Rolle. Benötigt werden dafür Trägersysteme für die gewünschten Wirkstoffe.rnDurch den Einsatz von wasserlöslichen biokompatiblen Polymeren werden mehrerernentscheidende Vorteile erhalten. Beispielsweise verlängert sich durch die höherernMolmasse die Zirkulationszeit im Blutkreislauf. Zudem ermöglicht die Anbindung vonrnTargetmolekülen den gezielten Wirkstofftransport zum Zielort.rnDie vorliegende Arbeit behandelt die Synthese und Charakterisierung von polymerbasiertenrnTrägersystemen für biomedizinische Anwendungen.rnAls erstes Teilprojekt wurde die Synthese einer Polymerbürste gewählt, derenrnSeitenketten aus Polymer-Oligonucleotid (ODN)-Konjugaten bestehen. Als Polymerrnwurde Poly(N-Isopropylacrylamid) gewählt, welches per RAFT-Polymerisationrnsynthetisiert wurde. Die Bürste sollte mittels „Grafting Through“-Technik hergestelltrnwerden. Dafür wurden zuerst das Polymer-Oligonucleotid-Konjugat und darausrnanschließend das entsprechende Makromonomer gebildet. Die Synthese undrnCharakterisierung des Konjugats sowie des Makromonomers wurden erfolgreichrndurchgeführt, jedoch war die Aufreinigung des Makromonomers nicht möglich.rnIm zweiten Teilprojekt war das Ziel Polyion-Komplex-Mizellen als Trägersystemernherzustellen. Benötigt wurden dazu ein Polymer bestehend aus einem kationischenrnund einem biokompatiblen Block sowie eine ODN-Sequenz zur Komplexierung desrnkationischen Blocks. Im ersten Ansatz wurde als Polymerisationsmethode die RAFTPolymerisationrnund Mono-N-boc-1,3-diaminopropanmethylmethacrylat als kationischesrnMonomer sowie α- bzw. ε-Lysinmethylmethacrylat als zwitterionischesrnMonomer verwendet. Jedoch war die Herstellung der Blockcopolymere nicht möglich.rnIm zweiten Ansatz wurde deshalb Poly-2-oxazolin als biokompatibler Block gewählt.rnMit Poly-L-lysin als kationischen Block und CpG war eine Bildung und Charakterisierungrnvon Polyion-Komplex-Mizellen in 15mM PBS-Puffer möglich.rnIm dritten Teilprojekt wurden biomedizinisch relevante Verbindungen mittelsrnkupferfreier Clickchemie an eine ELP-Bürste gebunden und charakterisiert.

Evaluation of polymeric nanocarriers for RNA delivery

Therapeutic RNAs, especially siRNAs, are a promising approach for treating diseases like cancer, neurodegenerative disorders and viral infections. Their application, however, is limited due to a lack of safe and efficient delivery systems. Nanosized carriers with the ability to either complex or entrap RNA species are a promising option. rn rn rnSuch a carrier has to meet a lot of requirements, some of which are even partly contradictive. Understanding and controlling the interplay between the different demands would advance a strategic design at an early stage of therapeutic development. rn rn This work is centered around a systematic evaluation of polyplexes, such carriers that are able to complex siRNA due to electrostatic interactions. Six structurally and chemically diverse candidates, poly-L-lysine brushes, block copolymers, cationic peptides, cationic lipids, nanohydrogels, and manganese oxide particles, were tested in a simultaneous fashion. The assays, mostly based on fluorescently labeled siRNA, ranged from the evaluation of polyplex formation and stability to in vitro parameters like cellular uptake and knockdown capability. The analysis from several perspectives offered insight into the interplay between the specifications of one polyplex. Assessing the different carriers under exactly the same experimental conditions also allowed conclusions about favourable traits and starting points for further optimization. This comparative approach also revealed weaknesses of some of the conventional protocols, which were therefore contrasted with alternative methods. In addition, in vitro knockdown assays were optimized and the impact of fluorescently labeled siRNA on knockdown efficiency was assessed. rn rn rn A second class of carriers, which share the ability to entrap siRNA inside their matrix, are briefly addressed. Nanocapsules, dextran particles and liposomes were assessed for basic features like siRNA encapsulation and knockdown capability. rn rn rn rn In an approach towards targeted delivery of RNA, liposomes were endowed with mitochondriotropic tags. Despite successful functionalization, no colocalization between the liposomal cargo and mitochondria was so far observed, which makes further optimization necessary.

Magnetische Multischalenpartikel für den Transport von siRNA

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines nichtviralen, effizienten Transfektionsmittels mit einer Kern-Schale-Struktur in der Größenordnung bis 100 nm. Dafür werden magnetische, negativ geladene Eisenoxid-Nanopartikel mittels Thermolyse mit einem Durchmesser von 17 nm synthetisiert und in Wasser überführt. Diese Nanopartikel bilden den Kern des Erbgut-Trägers und werden mittels Layer-by-Layer –Verfahren (LbL) mit geladenen Polymeren, den bioabbaubaren Makromolekülen Poly-L-Lysin und Heparin, beschichtet. Dafür wird zunächst eine geeignete Apparatur aufgebaut. Diese wird zur Herstellung von Kern-Schale-Strukturen mit fünf Polyelektrolytschichten verwendet und liefert Partikel mit einem hydrodynamischen Durchmesser von 58 nm, die bei Abwesenheit von niedermolekularem Salz aggregatfrei sind. Das System wird gegen Salz stabilisiert, indem die letzte Poly-L-Lysin-Schicht mit Polyethylenglycol modifiziert wird. Die so entstandenen Multischalenpartikel zeigen weder im PBS-Puffer noch in humanem Serum Aggregation. Mittels winkelabhängiger dynamischer Lichtstreuung wird die Aggregatbildung kontrolliert, während ζ-Potential-Messungen die Kontrolle der Oberflächenladung erlauben.rnDa siRNA auf Grund ihres negativ geladenen Phosphat-Rückgrats ebenfalls ein Polyelektrolyt ist, wird sie aggregatfrei auf die positiv geladenen PLL-Nanopartikel aufgetragen. Die eingesetzte siRNA ist farbstoffmarkiert, um eine Detektion in vitro zu ermöglichen. Jedoch sind die entstandenen Komplexe mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie (FCS) nicht nachweisbar. Auch die Fluoreszenzmarkierung der PEGylierten Außenschale mittels kupferfreier Click-Chemie ist in der FCS nicht sichtbar, sodass eine Fluoreszenzauslöschung der Farbstoffe in den Multischalenpartikeln vermutet wird.rn

Synthese und Charakterisierung von Polymer-Wirkstoff-Antikörper-Konjugaten zur Anwendung in der Krebsimmuntherapie

Polymere Wirkstoffsysteme gewinnen im Bereich der biomedizinischen Forschung immer größeres Interesse. Vielversprechende Systeme für die Entwicklung von neuartigen Krebs-immun¬therapien stellen insbesondere Polymer-Konjugate dar. Das ideale Polymer-Konjugat besitzt eine Größe zwischen 10 nm und 100 nm, ist nicht zytotoxisch und zeigt keine Aggregation in humanem Blutserum. In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese und Charakterisierung von Polymer-Wirkstoff-Konjugaten zur Anwendung in der Krebsimmuntherapie behandelt. Erstes Ziel der Arbeit war es, geeignete polymere Trägersysteme für die in vivo Anwendung zu finden. Hierzu wurde zunächst die Stabilität verschiedener potentieller polymerer Träger-systeme (Nanohydrogele, Succinyliertes-Poly-L-Lysin (Bürste), ELP-Bürsten und Poly(2-oxazolin)bürsten) in humanem Serum untersucht. Weiterhin wurde die unspezifische Zellaufnahme in murinen dendritischen Zellen (DCs) analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass vor allem neutrale bzw. zwitterionische Partikel eine hohe Serumstabilität sowie keine unspezifische Zellaufnahme zeigen. Um eine gezielte Adressierung der DCs des Immunsystems zu erreichen und dadurch eine Immunantwort gegenüber einem bestimmten Krebs Zelltyp zu induzieren, wurden Biokonjugate - auf Basis der Succinylierten-Poly-L-Lysin-(Bürste) sowie der Azid-funktionalisierten Poly(2-oxazolin)bürste (POx) – entwickelt, da diese Polymerbürsten keine bzw. kaum unspezifische Aufnahme in DCs zeigen. Hierbei diente der Antikörper aDEC205 der gezielten Adressierung von CD8+ DCs. Die weiteren bioaktiven Komponenten waren das tumorassoziierte Antigen (TAA) mit der Kernsequenz SIINFEKL zur Induktion einer spezifischen Immunantwort sowie der immunaktivierende TLR9 Ligand, CpG1826. Die Komponenten wurden nacheinander an die Fluoreszenz-markierten Polymere kon¬jugiert. Die Konjugation des Antikörpers erfolgte nach vorangegangener DIBO-Modifizierung über kupferfreie Click-Chemie. Mit einer optimierten Aufarbeitungsmethodik gelang es, aggregat-freie, unimere DIBO-modifizierte aDEC205 Antikörper zu isolieren. Für die succinylierten Poly-L-Lysine konnten keine eindeutigen sowie reproduzierbaren Ergebnisse erhalten werden, sodass sich im weiteren Verlauf der Arbeit auf die POx konzentriert wurde. Die Konjugation von aDEC205 an POx wurde mittels verschiedener physiko-chemischer Methoden (UV-VIS, SDS-PAGE, FCS, GPC, CLSM und FACS) gezeigt. Mit Hilfe von „Specific-Hybridization-Internalisation-Sensor“ Experimenten konnte eine spezifische Aufnahme des Konjugats in CD8+ DCs nachgewiesen werden. rnDie Konjugation von Antigen und CpG erfolgte ebenso nach entsprechender Modifizierung über kupferfreie Click-Chemie. SDS-PAGE, UV-VIS und FCS bestätigten eine erfolgreiche Kopplung. T-Zell-Proliferationsversuche ergaben für Antigen enthaltende Polymer-Konjugate eine CD8+ T-Zell-Aktivierung. Des Weiteren zeigten die POx keine bemerkenswerte Toxizität und deren Konjugate keine Aggregation in humanem Serum. rnrnDarüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener Polymertopologien auf ihre Biodistribution sowie Blutzirkulation untersucht. Für die nach GPC-Fraktionierung erhaltenen verschiedenen Polymerfraktionen - hochmolekulare wurmartige Polymerbürsten, ellipsoidartige Polymer-bürsten und niedermolekulare kugelförmige Moleküle - konnten vielversprechende Ergebnisse erhalten werden.

The role of the interplay between polymer architecture and bacterial surface properties on the microbial adhesion to polyoxazoline-based ultrathin films

Surface platforms were engineered from poly(L-lysine)-graft-poly(2-methyl-2-oxazoline) (PLL-g-PMOXA) copolymers to study the mechanisms involved in the non-specific adhesion of Escherichia coli (E. coli) bacteria. Copolymers with three different grafting densities (PMOXA chains/Lysine residue of 0.09, 0.33 and 0.56) were synthesized and assembled on niobia (Nb O ) surfaces. PLL-modified and bare niobia surfaces served as controls. To evaluate the impact of fimbriae expression on the bacterial adhesion, the surfaces were exposed to genetically engineered E. coli strains either lacking, or constitutively expressing type 1 fimbriae. The bacterial adhesion was strongly influenced by the presence of bacterial fimbriae. Non-fimbriated bacteria behaved like hard, charged particles whose adhesion was dependent on surface charge and ionic strength of the media. In contrast, bacteria expressing type 1 fimbriae adhered to the substrates independent of surface charge and ionic strength, and adhesion was mediated by non-specific van der Waals and hydrophobic interactions of the proteins at the fimbrial tip. Adsorbed polymer mass, average surface density of the PMOXA chains, and thickness of the copolymer films were quantified by optical waveguide lightmode spectroscopy (OWLS) and variable-angle spectroscopic ellipsometry (VASE), whereas the lateral homogeneity was probed by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Streaming current measurements provided information on the charge formation of the polymer-coated and the bare niobia surfaces. The adhesion of both bacterial strains could be efficiently inhibited by the copolymer film only with a grafting density of 0.33 characterized by the highest PMOXA chain surface density and a surface potential close to zero.

Evaluation of chemically modified SLA implants (modSLA) biofunctionalized with integrin (RGD)- and heparin (KRSR)-binding peptides

Enhancing osseointegration through surface immobilization of multiple short peptide sequences that mimic extracellular matrix (ECM) proteins, such as arginine-glycine-aspartic acid (RGD) and lysine-arginine-serine-arginine (KRSR), has not yet been extensively explored. Additionally, the effect of biofunctionalizing chemically modified sandblasted and acid-etched surfaces (modSLA) is unknown. The present study evaluated modSLA implant surfaces modified with RGD and KRSR for potentially enhanced effects on bone apposition and interfacial shear strength during early stages of bone regeneration. Two sets of experimental implants were placed in the maxillae of eight miniature pigs, known for their rapid wound healing kinetics: bone chamber implants creating two circular bone defects for histomorphometric analysis on one side and standard thread configuration implants for removal torque testing on the other side. Three different biofunctionalized modSLA surfaces using poly-L-lysine-graft-poly(ethylene glycol) (PLL-g-PEG) as a carrier minimizing nonspecific protein adsorption [(i) 20 pmol cm⁻² KRSR alone (KRSR); or in combination with RGD in two different concentrations; (ii) 0.05 pmol cm⁻² RGD (KRSR/RGD-1); (iii) 1.26 pmol cm⁻² RGD (KRSR/RGD-2)] were compared with (iv) control modSLA. Animals were sacrificed at 2 weeks. Removal torque values (701.48-780.28 N mm), bone-to-implant contact (BIC) (35.22%-41.49%), and new bone fill (28.58%-30.62%) demonstrated no significant differences among treatments. It may be concluded that biofunctionalizing modSLA surfaces with KRSR and RGD derivatives of PLL-g-PEG polymer does not increase BIC, bone fill, or interfacial shear strength.

Polymer stent coating for prevention of neointimal hyperplasia

AIMS: Restenosis has been the principal limitation of bare metal stents. Based upon the presumption that platelet and inflammatory cell recruitment initiate neointimal proliferation, we explored a novel polymer coating that reduces cell-stent interactions. The purpose of the present study was to investigate the effect of poly(L-lysine)-graft-poly(ethyleneglycol) (PLL-g-PEG) adsorbed to stent surfaces to reduce neointimal hyperplasia in the porcine restenosis model. METHODS AND RESULTS: Seven animals were instrumented each with 2 stainless steel stents (15 mm length, 2.5-3.5 mm diameter), randomly implanted in 1 major epicardial coronary artery. One stent was dip-coated with PLL-g-PEG, whereas the other stent served as the uncoated control stent. All animals were sacrificed after 6 weeks for histological examination. Neointimal hyperplasia was significantly less (-51%) in the PLL-g-PEG-coated stents (1.15 +/- 0.59 mm2) than in the uncoated control stents (2.33 +/- 1.01 mm2; p < 0.001). Conversely, lumen size was larger in the PLL-g-PEG-coated stents (2.91 +/- 1.17 mm2) than in the uncoated stents (2.04 +/- 0.64 mm2; p < 0.001). High magnification histomorphologic examination revealed no signs of inflammation or thrombus formation in either stent group. CONCLUSIONS: Polymeric steric stabilization of stents with PLL-g-PEG significantly reduces neointimal hyperplasia in the porcine restenosis model. Reduction of cell-stent interactions mediated by PLL-g-PEG appear to improve biocompatibility of stainless steel stents without evidence of adverse inflammatory or prothrombotic effects.

Enhanced bone apposition around biofunctionalized sandblasted and acid-etched titanium implant surfaces. A histomorphometric study in miniature pigs

Microrough titanium (Ti) surfaces of dental implants have demonstrated more rapid and greater bone apposition when compared with machined Ti surfaces. However, further enhancement of osteoblastic activity and bone apposition by bio-functionalizing the implant surface with a monomolecular adsorbed layer of a co-polymer - i.e., poly(L-lysine)-graft-poly(ethylene glycol) (PLL-g-PEG) and its derivatives (PLL-g-PEG/PEG-peptide) - has never been investigated. The aim of the present study was to examine early bone apposition to a modified sandblasted and acid-etched (SLA) surface coated with an Arg-Gly-Asp (RGD)-peptide-modified polymer (PLL-g-PEG/PEG-RGD) in the maxillae of miniature pigs, and to compare it with the standard SLA surface. Test and control implants had the same microrough topography (SLA), but differed in their surface chemistry (polymer coatings). The following surfaces were examined histomorphometrically: (i) control - SLA without coating; (ii) (PLL-g-PEG); (iii) (PLL-g-PEG/PEG-RDG) (RDG, Arg-Asp-Gly); and (iv) (PLL-g-PEG/PEG-RGD). At 2 weeks, RGD-coated implants demonstrated significantly higher percentages of bone-to-implant contact as compared with controls (61.68% vs. 43.62%; P < 0.001). It can be concluded that the (PLL-g-PEG/PEG-RGD) coatings may promote enhanced bone apposition during the early stages of bone regeneration.

ALTERNATING CURRENT DIELECTROPHORESIS OF CORE-SHELL NANOPARTICLES: EXPERIMENTS AND COMPARISON WITH THEORY

Nanoparticles are fascinating where physical and optical properties are related to size. Highly controllable synthesis methods and nanoparticle assembly are essential [6] for highly innovative technological applications. Among nanoparticles, nonhomogeneous core-shell nanoparticles (CSnp) have new properties that arise when varying the relative dimensions of the core and the shell. This CSnp structure enables various optical resonances, and engineered energy barriers, in addition to the high charge to surface ratio. Assembly of homogeneous nanoparticles into functional structures has become ubiquitous in biosensors (i.e. optical labeling) [7, 8], nanocoatings [9-13], and electrical circuits [14, 15]. Limited nonhomogenous nanoparticle assembly has only been explored. Many conventional nanoparticle assembly methods exist, but this work explores dielectrophoresis (DEP) as a new method. DEP is particle polarization via non-uniform electric fields while suspended in conductive fluids. Most prior DEP efforts involve microscale particles. Prior work on core-shell nanoparticle assemblies and separately, nanoparticle characterizations with dielectrophoresis and electrorotation [2-5], did not systematically explore particle size, dielectric properties (permittivity and electrical conductivity), shell thickness, particle concentration, medium conductivity, and frequency. This work is the first, to the best of our knowledge, to systematically examine these dielectrophoretic properties for core-shell nanoparticles. Further, we conduct a parametric fitting to traditional core-shell models. These biocompatible core-shell nanoparticles were studied to fill a knowledge gap in the DEP field. Experimental results (chapter 5) first examine medium conductivity, size and shell material dependencies of dielectrophoretic behaviors of spherical CSnp into 2D and 3D particle-assemblies. Chitosan (amino sugar) and poly-L-lysine (amino acid, PLL) CSnp shell materials were custom synthesized around a hollow (gas) core by utilizing a phospholipid micelle around a volatile fluid templating for the shell material; this approach proves to be novel and distinct from conventional core-shell models wherein a conductive core is coated with an insulative shell. Experiments were conducted within a 100 nl chamber housing 100 um wide Ti/Au quadrapole electrodes spaced 25 um apart. Frequencies from 100kHz to 80MHz at fixed local field of 5Vpp were tested with 10-5 and 10-3 S/m medium conductivities for 25 seconds. Dielectrophoretic responses of ~220 and 340(or ~400) nm chitosan or PLL CSnp were compiled as a function of medium conductivity, size and shell material.

Collagen I modulates growth and gene expression in prostate cancer cells

Prostate cancer is the second leading cause of male cancer-related deaths in the United States. Interestingly, prostate cancer preferentially metastasizes to skeletal tissue. Once in the bone microenvironment, advanced prostate cancer becomes highly resistant to therapeutic modalities. Several factors, such as extracellular matrix (ECM) components, have been implicated in the spread and propagation of prostatic carcinoma. In these studies, we have utilized the PC3 cell line, derived from a human bone metastasis, to investigate the influence of the predominant bone ECM protein, type I collagen, on prostate cancer cell proliferation and gene expression. We have also initiated the design and production of ribozymes to specific gene targets that may influence prostate cancer bone metastasis. ^ Our results demonstrate that PC3 cells rapidly adhere and spread on collagen I to a greater degree than on fibronectin (FN) or poly-L-lysine (PLL). Flow cytometry analysis reveals the presence of the α1, α2 and α3 collagen binding integrin subunits. The use of antibody function blocking studies reveals that PC3 cells can utilize α2β 1 and α3β1 integrins to adhere to collagen I. Once plated on collagen I, the cells exhibit increased rates of proliferation compared with cells plated on FN or tissue culture plastic. Additionally, cells plated on collagen I show increased expression of proteins associated with progression through G1 phase of the cell cycle. Inhibitor studies point to a role for phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K), MAP kinase (MAPK), and p70 S6 kinase in collagen I-mediated PC3 cell proliferation and cyclin D1 expression. To further characterize the effect of type I collagen on prostate cancer bone metastasis, we utilized a cDNA microarray strategy to monitor type I collagen-mediated changes in gene expression. Results of this analysis revealed a gene expression profile reflecting the increased proliferation occurring on type I collagen. Microarray analysis also revealed differences in the expression of specific gene targets that may impact on prostate cancer metastasis to bone. ^ As a result of our studies on the interaction of prostate cancer cells and the skeletal ECM, we sought to develop novel molecular tools for future gene therapy of functional knockdown experiments. To this end, we developed a series of ribozymes directed against the α2 integrin and at osteopontin, a protein implicated in the metastasis of various cancers, including prostate. These ribozymes should facilitate the future study of the mechanism of prostate cancer cell proliferation, and disease progression occurring at sites of skeletal metastasis where a type I collagen-based environment predominates. ^ Together these studies demonstrate the involvement of bone ECM proteins on prostate cancer cell proliferation and suggest that they may play a significant role on the growth of prostate metastases once in the bone microenvironment. ^