Nanopartikel und Nanokapseln als potentielle Wirkstofftransportsysteme : zelluläre Aufnahme in Leukozyten in peripherem Vollblut und in Zellkultur

Nanopartikuläre Wirkstofftransportsysteme besitzen ein großes Potential für therapeutische Anwendungen. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene grundlegende Aspekte, die für das erweiterte biologische Verständnis und die Entwicklung weiterer zielgerichteter Strategien zur Pharmakotherapie mit Nanopartikeln und –kapseln notwendig sind, näher untersucht. Experimente zur zellulären Aufnahmefähigkeit (in vitro und ex vivo) wurden mit verschiedenen Nanopartikeln und –kapseln aus diversen Monomeren und biokompatiblen Makromolekülen in immortalisierten Zellkulturlinien, humanen mesenchymalen Stammzellen und Leukozyten durchgeführt und durchflusszytometrisch sowie mittels konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie analysiert. Die Einflüsse der Oberflächenfunktionalisierungen der nanopartikulären Systeme, deren toxikologische Effekte sowie der Einfluss von adsorbiertem bovinem Serumalbumin auf funktionalisierten Polystyrol-Nanopartikeln wurden in Bezug auf die zelluläre Aufnahme untersucht.Um die multiplen Wechselwirkungen der Nanopartikel mit Bestandteilen des humanen peripheren Vollblutes zu untersuchen, wurde erfolgreich ein durchflusszytometrisches Analyseverfahren in antikoaguliertem peripherem Vollblut (ex vivo) entwickelt. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss von Calcium-komplexierenden Antikoagulanzien zu einer Verringerung und nicht Li-Heparin zu einer Verstärkung der zellulären Aufnahme von funktionalisierten Polystyrol-Nanopartikeln in diversen Leukozyten führt.Für Folsäure-gekoppelte Hydroxyethylstärke-Nanokapseln (Synthese Frau Dr. Grit Baier) konnte ein größenabhängiger selektiver, Folatrezeptor α vermittelter, zellulärer Aufnahmeweg in HeLa-Zellen nachgewiesen werden.Hydrolysierbare, nicht zytotoxische Polyester-Nanopartikel aus Poly(5,6-Benzo-2-methylen-1,3-dioxepan) (Synthese Herr Dr. Jörg Max Siebert) mit eingebettetem Paclitaxel zeigten in HeLa-Zellen eine vergleichbare pharmakologische Wirkung wie kommerziell erhältliche Paclitaxel-Formulierungen.Die in dieser Arbeit eingesetzten Nanopartikel und Nanokapseln besitzen ein vielfältiges Potential als Wirkstofftransportsysteme. Es zeigte sich, dass Unterschiede bei der Größe, der Größenverteilung, des Polymers sowie der Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel bedeutende Unterschiede der Zellaufnahme in diversen Zellkulturlinien (in vitro) und Leukozyten in peripherem Vollblut (ex vivo) zur Folge haben.

Synthetic routes toward functional block copolymers and bioconjugates via RAFT polymerization

Synthetic Routes toward Functional Block Copolymers and Bioconjugates via RAFT PolymerizationrnSynthesewege für funktionelle Blockcopolymere und Biohybride über RAFT PolymerisationrnDissertation von Dipl.-Chem. Kerstin T. WissrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden effiziente Methoden für die Funktionalisierung beider Polymerkettenenden für Polymer- und Bioanbindung von Polymeren entwickelt, die mittels „Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer“ (RAFT) Polymerisation hergestellt wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Dithioester-basiertes Kettentransferagens (CTA) mit einer Aktivestereinheit in der R-Gruppe (Pentafluorphenyl-4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovaleriansäureester, kurz PFP-CTA) synthetisiert und seine Anwendung als universelles Werkzeug für die Funktionalisierung der -Endgruppe demonstriert. Zum Einen wurde gezeigt, wie dieser PFP-CTA als Vorläufer für die Synthese anderer funktioneller CTAs durch einfache Aminolyse des Aktivesters genutzt werden kann und somit den synthetischen Aufwand, der üblicherweise mit der Entwicklung neuer CTAs verbunden ist, reduzieren kann. Zum Anderen konnte der PFP-CTA für die Synthese verschiedener Poly(methacrylate) mit enger Molekulargewichtsverteilung und wohl definierter reaktiver -Endgruppe verwendet werden. Dieses Kettenende konnte dann erfolgreich mit verschiedenen primären Aminen wie Propargylamin, 1-Azido-3-aminopropan und Ethylendiamin oder direkt mit den Amin-Endgruppen verschiedener Peptide umgesetzt werden.rnAus der Reaktion des PFP-CTAs mit Propargylamin wurde ein Alkin-CTA erhalten, der sich als effizientes Werkzeug für die RAFT Polymerisation verschiedener Methacrylate erwiesen hat. Der Einbau der Alkin-Funktion am -Kettenende wurde mittels 1H und 13C NMR Spektroskopie sowie MALDI TOF Massenspektroskopie bestätigt. Als Modelreaktion wurde die Kopplung eines solchen alkin-terminierten Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylates) (PDEGMEMA) mit azid-terminiertem Poly(tert-butylmethacrylat), das mittels Umsetzung einer Aktivester-Endgruppe erhalten wurde, als kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) durchgeführt. Die Aufarbeitung des resultierenden Diblockcopolymers durch Fällen ermöglichte die vollständige Abtrennung des Polymerblocks 1, der im Überschuss eingesetzt wurde. Darüber hinaus blieb nur ein sehr kleiner Anteil (< 2 Gew.-%) nicht umgesetzten Polymerblocks 2, was eine erfolgreiche Polymeranbindung und die Effizienz der Endgruppen-Funktionalisierung ausgehend von der Aktivester--Endgruppe belegt.rnDie direkte Reaktion von stimuli-responsiven Polymeren mit Pentafluorphenyl(PFP)ester-Endgruppen, namentlich PDEGMEMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat), mit kollagen-ähnlichen Peptiden ergab wohl definierte Polymer-Peptid-Diblockcopolymere und Polymer-Peptid-Polymer-Triblockcopolymer unter nahezu quantitativer Umsetzung der Endgruppen. Alle Produkte konnten vollständig von nicht umgesetztem Überschuss des Homopolymers befreit werden. In Analogie zu natürlichem Kollagen und dem nicht funktionalisierten kollagen-ähnlichen Peptid bilden die PDEGMEMA-basierten, entschützten Hybridcopolymere Trimere mit kollagen-ähnlichen Triple-Helices in kalter wässriger Lösung, was mittels Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie (CD) nachgewiesen werden konnte. Temperaturabhängige CD-Spektroskopie, Trübungsmessungen und dynamische Lichtstreuung deuteten darauf hin, dass sie bei höheren Temperaturen doppelt stimuli-responsive Überstrukturen bilden, die mindestens zwei konformative Übergänge beim Aufheizen durchlaufen. Einer dieser Übergänge wird durch den hydrophoben Kollaps des Polymerblocks induziert, der andere durch Entfalten der kollagen-ähnlichen Triple-Helices.rnAls Ausweitung dieser synthetischen Strategie wurde homotelecheles PDEGMEMA mit zwei PFP-Esterendgruppen dargestellt, wozu der PFP-CTA für die Funktionalisierung der -Endgruppe und die radikalische Substitution des Dithioesters durch Behandlung mit einem Überschuss eines funktionellen AIBN-Derivates für die Funktionalisierung der -Endgruppe ausgenutzt wurde. Die Umsetzung der beiden reaktiven Kettenenden mit dem N-Terminus eines Peptidblocks ergab ein Peptid-Polymer-Peptid Triblockcopolymer.rnSchließlich konnten die anorganisch-organischen Hybridmaterialien PMSSQ-Poly(2,2-diethoxyethylacrylat) (PMSSQ-PDEEA) und PMSSQ-Poly(1,3-dioxolan-2-ylmethylacrylat) (PMSSQ-PDMA) für die Herstellung robuster, peptid-reaktiver Oberflächen durch Spin Coaten und thermisch induziertes Vernetzen angewendet werden. Nach saurem Entschützen der Acetalgruppen in diesen Filmen konnten die resultierenden Aldehydgruppen durch einfaches Eintauchen in eine Lösung mit einer Auswahl von Aminen und Hydroxylaminen umgesetzt werden, wodurch die Oberflächenhydrophilie modifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnten auf Basis der unterschiedlichen Stabilität der zwei hier verglichenen Acetalgruppen Entschützungsprotokolle für die exklusive Entschützung der Diethylacetale in PMSSQ-PDEEA und deren Umsetzung ohne Entschützung der zyklischen Ethylenacetale in PMSSQ-PDMA entwickelt werden, die die Herstellung multifunktioneller Oberflächenbeschichtungen z.B. für die Proteinimmobilisierung ermöglichen.

Development of synthetic methods of silicon nanocrystals functionalized with photoactive molecules

The thesis is focused on the development of a method for the synthesis of silicon nanocrystals with different sizes, narrow size distribution, good optical properties and stability in air. The resulting silicon nanocrystals have been covalently functionalized with different chromophores with the aim to exploit the new electronic and chemical properties that emerge from the interaction between silicon nanocrystal surface and ligands. The purpose is to use these chromophores as light harvesting antennae, increasing the optical absorption of silicon nanocrystals. Functionalized silicon nanocrystals have been characterized with different analytical techniques leading to a good knowledge of optical properties of semiconductor quantum dots.

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.

The role of dendritic cells (DC) in Friend retrovirus-induced immunosuppression and immunotherapeutic applications of functionalized nanoparticles

Friend murine leukemia Virus (FV) infection of immunocompetent mice is a well- established model to acquire further knowledge about viral immune suppression mechanisms, with the aim to develop therapeutics against retrovirus-induced diseases. Interestingly, BALB/c mice are infected by low doses of FV and die from FV-induced erythroleukemia, while C57/BL6 mice are infected by FV only at high viral dose, and remain persistently infected for their whole life. Due to the central role of dendritic cells (DC) in the induction of anti-viral responses, we asked for their functional role in the genotype-dependent sensitivity towards FV infection. In my PhD study I showed that bone marrow (BM)-derived DC differentiated from FV-infected BM cells obtained from FV-inoculated BALB/c (FV susceptible) and C57BL/6 (FV resistant) mice showed an increased endocytotic activity and lowered expression of MHCII and of costimulatory receptors as compared with non-infected control BMDC. FV-infected BMDC from either mouse strain were partially resistant towards stimulation-induced upregulation of MHCII and costimulators, and accordingly were poor T cell stimulators in vitro and in vivo. In addition, FV-infected BMDC displayed an altered expression profile of proinflammator cytokines and favoured Th2 polarization. Ongoing work is focussed on elucidating the functional role of proteins identified as differentially expressed in FV-infected DC in a genotype-dependent manner, which therefore may contribute to the differential course of FV infection in vivo in BALB/c versus C57BL/6 mice. So far, more than 300 proteins have been identified which are differently regulated in FV-infected vs. uninfected DC from both mouse strains. One of these proteins, S100A9, was strongly upregulated specifically in BMDC derived from FV-infected C57BL/6 BM cells. S100A9-/- mice were more sensitive towards inoculation with FV than corresponding wild type (WT) mice (both C57BL/6 background), which suggests a decisive role of this factor for anti-viral defense. In addition, FV-infected S100A9-/- BMDC showed lower motility than WT DC. The future work is aimed to further elucidate the functional importance of S100A9 for DC functions. To exploit the potential of DC for immunotherapeutic applications, in another project of this PhD study the usability of different types of functionalized nanoparticles

Targeting p-Conjugated Multiple Donor-Acceptor Motifs Exemplified by Tetrathiafulvalene-Linked Quinoxalines and Tetrabenz bc,ef,hi,uv ovalenes: Synthesis, Spectroscopic, Electrochemical, and Theoretical Characterization

An efficient synthetic approach to a symmetrically functionalized tetrathiafulvalene (TTF) derivative with two diamine moieties, 2-[5,6-diamino-4,7-bis(4-pentylphenoxy)-1,3-benzodithiol-2-ylidene]-4,7- bis(4-pentylphenoxy)-1,3-benzodithiole-5,6-diamine (2), is reported. The subsequent Schiff-base reactions of 2 afford large p-conjugated multiple donoracceptor (DA) arrays, for example, the triad 2-[4,9-bis(4-pentylphenoxy)-1,3-dithiolo[4,5-g]quinoxalin-2-ylidene]-4,9 -bis(4-pentylphenoxy)-1,3-dithiolo[4,5-g]quinoxaline (8) and the corresponding tetrabenz[bc,ef,hi,uv]ovalene-fused pentad 1, in good yields and high purity. The novel redox-active nanographene 1 is so far the largest known TTF-functionalized polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) with a well-resolved 1H NMR spectrum. The electrochemically highly amphoteric pentad 1 and triad 8 exhibit various electronically excited charge-transfer states in different oxidation states, thus leading to intense optical intramolecular charge-transfer (ICT) absorbances over a wide spectral range. The chemical and electrochemical oxidations of 1 result in an unprecedented TTF+ radical cation dimerization, thereby leading to the formation of [1+]2 at room temperature in solution due to the stabilizing effect, which arises from strong pp interactions. Moreover, ICT fluorescence is observed with large solvent-dependent Stokes shifts and quantum efficiencies of 0.05 for 1 and 0.035 for 8 in dichloromethane.

Fondaparinux - data on efficacy and safety in special situations

New anticoagulants promise to have better efficacy, more safety and/or a better manageability than traditional anticoagulants. However, knowledge is limited regarding special situations such as renal insufficiency, obesity, pregnancy, long-term therapy, heparin-induced thrombocytopenia, treatment in patients with mechanical heart valves, use for children, and in patients with a high risk of thromboembolic complications. These situations have rarely or even never been the objective of randomised controlled trials. The purpose of the present article is to summarize and discuss available data on efficacy and safety in these special situations for one of the first new anticoagulants, the indirect factor-Xa inhibitor fondaparinux. Furthermore, we discuss safety in licensed indications and management of bleeding complications and comment on measuring of drug concentration in plasma.

A General Approach Towards the Synthesis of Amido-Functionalized Biodegradable Polyesters

The thesis presented here describes methodologies to produce pendant group functionalized polyesters from amido-functionalized α-hydroxy acids. The synthetic methods used to produce the functionalized α-hydroxy acids are compatible with a wide array of functional groups, making this technique highly versatile. The synthesis of functionalized polyesters was investigated to develop polymers with properties that may improve the capabilities of existing biodegradable polyesters for applications in controlled release pharmaceuticals. Chemically modified a-hydroxy acids were synthesized by reacting glyoxylic acid with a primary or secondary amide. To demonstrate the utility of this reaction, fourstructurally dissimilar amide substituents were examined including 2-pyrrolidione, benzamide, acetamide and acrylamide. The reaction is synthetically simple, provides high yields and is uniquely flexible, functionalized monomer. The compatibility of this procedure with the collection of functional groups mentioned circumvents the need for syntheses. The amido-functionalized monomers were polymerized by two different techniques: melt polycondensation and solution polymerization. Melt polycondensation was conducted by heating the monomer past its melting temperature under reduced pressure. Oligomeric functionalized polyesters (= 800 g/mol) with low PDIs (= 1.05) were obtained by melt polycondensation. Melt polycondensation was not compatible with all of the synthesized monomers. Two of the monomers (containing benzamide and acrylamide functionalities) degraded before the polycondensation reaction occurred. Thermal gravimetric analysis confirmed that a process other than polyesterification was occurring, indicating that some amido-functionalized α-hydroxy acids cannot be synthesized in the melt.Solution polymerization was conducted to polymerize functionalized α-hydroxy acids that were incompatible with melt polycondensation. Several modified Steglich polyesterifications were tested including p-toluenesulfonic acid mediated and scandium (III) triflate catalyzed. Only oligomeric functionalized polyesters were formed bythis method. A number of possible side reactions including the formation of an N-acylurea and a cyclic polymer ring were possible. The utility of this procedure appears to be limited due to the complexity of the reaction and its inability to produce high molecular weight polymer.

The Use Of Amido- And Imido-Functionalized Alpha Hydroxy Acids In The Creation Of Biodegradable Polyesters: An Exploration Of Va

The purpose of this thesis was to synthesize biodegradable polyesters from a wide array of functionalized ¿-hydroxy acids. The initial strategy was to use amido-functionalized ¿-hydroxy acids and 2-bromopropanoyl bromide to form amido-functionalized cyclic diesters. Then, the resulting cyclic diesters would be used in ring opening polymerization to create biodegradable polyesters. However, the spontaneous rapid degradation of the secondary amido-functionalized cyclic diester structure, as seen with 2-benzamido-hydroxyacetic acid, limited ring formation to tertiary amido-functionalized ¿-hydroxy acids. Also, the hydrophilic nature of most ¿-hydroxy acids allowed water into the crystal structure of the ¿-hydroxy acid. Then, when the ¿-hydroxy acid was used in ring forming reactions, the associated water deactivated reactive reagents and limited cyclic diester synthesis. These issues led to the synthesis of hydrophobic and tertiary amido- and imido-functionalized ¿-hydroxy acids, 2-phthalimido-2-hydroxyacetic acid and 2-(1-oxoisoindolin-2-yl) hydroxyacetic acid. The new ¿-hydroxy acids were used in two new polymerization techniques, melt polycondensation and solution polymerization, instead of ring open polymerization. Melt polycondensation and solution polymerization had shown previous success in forming oligomers of amido-functionalized ¿-hydroxy acids. Melt polycondensation was conducted by heating the monomer past its melting temperature under reduced pressure. The uncatalyzed melt polycondensation of 2-(1-oxoisoindolin-2-yl) hydroxyacetic acid created polyesters (¿ 960 g/mol). The scandium(III) trifluoromethanesulfonate enhanced melt polycondensation polymerization created slightly larger oligomers (¿ 1340 g/mol). However, 2-phthalimido-2-hydroxyacetic acid was not compatible with melt polycondensation because thermal degradation occurred. Thus, solution polymerization was conducted via Steglich esterification. Only oligomeric functionalized polyesters were formed (¿ 1060 g/mol). Future work should focus on optimization of the catalyst and the reaction conditions to obtain higher molecular weight polyesters. Also, 2-(1-oxoisoindolin-2-yl) hydroxyacetic acid should be utilized in the cyclic diester synthesis technique.

Multiscale Characterization of Acrylic Bone Cement Modified with Functionalized Mesoporous Silica Nanoparticles

Acrylic bone cement is widely used to anchor orthopedic implants to bone and mechanical failure of the cement mantle surrounding an implant can contribute to aseptic loosening. In an effort to enhance the mechanical properties of bone cement, a variety of nanoparticles and fibers can be incorporated into the cement matrix. Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) are a class of particles that display high potential for use as reinforcement within bone cement. Therefore, the purpose of this study was to quantify the impact of modifying an acrylic cement with various low-loadings of mesoporous silica. Three types of MSNs (one plain variety and two modified with functional groups) at two loading ratios (0.1 and 0.2 wt/wt) were incorporated into a commercially available bone cement. The mechanical properties were characterized using four-point bending, microindentation and nanoindentation (static, stress relaxation, and creep) while material properties were assessed through dynamic mechanical analysis, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, FTIR spectroscopy, and scanning electron microscopy. Four-point flexural testing and nanoindentation revealed minimal impact on the properties of the cements, except for several changes in the nano-level static mechanical properties. Conversely, microindentation testing demonstrated that the addition of MSNs significantly increased the microhardness. The stress relaxation and creep properties of the cements measured with nanoindentation displayed no effect resulting from the addition of MSNs. The measured material properties were consistent among all cements. Analysis of scanning electron micrographs images revealed that surface functionalization enhanced particle dispersion within the cement matrix and resulted in fewer particle agglomerates. These results suggest that the loading ratios of mesoporous silica used in this study were not an effective reinforcement material. Future work should be conducted to determine the impact of higher MSN loading ratios and alternative functional groups. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

DOTA-PESIN, a DOTA-conjugated bombesin derivative designed for the imaging and targeted radionuclide treatment of bombesin receptor-positive tumours

PURPOSE: We aimed at designing and developing a novel bombesin analogue, DOTA-PEG(4)-BN(7-14) (DOTA-PESIN), with the goal of labelling it with (67/68)Ga and (177)Lu for diagnosis and radionuclide therapy of prostate and other human cancers overexpressing bombesin receptors. METHODS: The 8-amino acid peptide bombesin (7-14) was coupled to the macrocyclic chelator DOTA via the spacer 15-amino-4,7,10,13-tetraoxapentadecanoic acid (PEG(4)). The conjugate was complexed with Ga(III) and Lu(III) salts. The GRP receptor affinity and the bombesin receptor subtype profile were determined in human tumour specimens expressing the three bombesin receptor subtypes. Internalisation and efflux studies were performed with the human GRP receptor cell line PC-3. Xenografted nude mice were used for biodistribution. RESULTS: [Ga(III)/Lu(III)]-DOTA-PESIN showed good affinity to GRP and neuromedin B receptors but no affinity to BB3. [(67)Ga/(177)Lu]-DOTA-PESIN internalised rapidly into PC-3 cells whereas the efflux from PC-3 cells was relatively slow. In vivo experiments showed a high and specific tumour uptake and good retention of [(67)Ga/(177)Lu]-DOTA-PESIN. [(67)Ga/(177)Lu]-DOTA-PESIN highly accumulated in GRP receptor-expressing mouse pancreas. The uptake specificity was demonstrated by blocking tumour uptake and pancreas uptake. Fast clearance was found from blood and all non-target organs except the kidneys. High tumour-to-normal tissue ratios were achieved, which increased with time. PET imaging with [(68)Ga]-DOTA-PESIN was successful in visualising the tumour at 1 h post injection. Planar scintigraphic imaging showed that the (177)Lu-labelled peptide remained in the tumour even 3 days post injection. CONCLUSION: The newly designed ligands have high potential with regard to PET and SPECT imaging with (68/67)Ga and targeted radionuclide therapy with (177)Lu.

Are radiogallium-labelled DOTA-conjugated somatostatin analogues superior to those labelled with other radiometals?

PURPOSE: Gallium-68 is a metallic positron emitter with a half-life of 68 min that is ideal for the in vivo use of small molecules, such as [68Ga-DOTA,Tyr3]octreotide, in the diagnostic imaging of somatostatin receptor-positive tumours. In preclinical studies it has shown a striking superiority over its 111In-labelled congener. The purpose of this study was to evaluate whether third-generation somatostatin-based, radiogallium-labelled peptides show the same superiority. METHODS: Peptides were synthesised on solid phase. The receptor affinity was determined by in vitro receptor autoradiography. The internalisation rate was studied in AR4-2J and hsst-HEK-transfected cell lines. The pharmacokinetics was studied in a rat xenograft tumour model, AR4-2J. RESULTS: All peptides showed high affinities on hsst2, with the highest affinity for the Ga(III)-complexed peptides. On hsst3 the situation was reversed, with a trend towards lower affinity of the Ga(III) peptides. A significantly increased internalisation rate was found in sst2-expressing cells for all 67Ga-labelled peptides. Internalisation into HEK-sst3 was usually faster for the 111In-labelled peptides. No internalisation was found into sst5. Biodistribution studies employing [67Ga-DOTA,1-Nal3]octreotide in comparison to [111In-DOTA,1-Nal3]octreotide and [67Ga-DOTA,Tyr3]octreotide showed a significantly higher and receptor-mediated uptake of the two 67Ga-labelled peptides in the tumour and somatostatin receptor-positive tissues. A patient study illustrated the potential advantage of a broad receptor subtype profile radiopeptide over a high-affinity sst2-selective radiopeptide. CONCLUSION: This study demonstrates that 67/68Ga-DOTA-octapeptides show distinctly better preclinical, pharmacological performances than the 111In-labelled peptides, especially on sst2-expressing cells and the corresponding animal models. They may be excellent candidates for further development for clinical studies.

The performance of computer-aided detection when analyzing prior mammograms of newly detected breast cancers with special focus on the time interval from initial imaging to detection

PURPOSE: The clinical role of CAD systems to detect breast cancer, which have not been on cancer containing mammograms not detected by the radiologist was proven retrospectively. METHODS: All patients from 1992 to 2005 with a histologically verified malignant breast lesion and a mammogram at our department, were analyzed in retrospect focussing on the time of detection of the malignant lesion. All prior mammograms were analyzed by CAD (CADx, USA). The resulting CAD printout was matched with the cancer containing images yielding to the radiological diagnosis of breast cancer. CAD performance, sensitivity as well as the association of CAD and radiological features were analyzed. RESULTS: 278 mammograms fulfilled the inclusion criteria. 111 cases showed a retrospectively visible lesion (71 masses, 23 single microcalcification clusters, 16 masses with microcalcifications, in one case two microcalcification clusters). 54/87 masses and 34/41 microcalcifications were detected by CAD. Detection rates varied from 9/20 (ACR 1) to 5/7 (ACR 4) (45% vs. 71%). The detection of microcalcifications was not influenced by breast tissue density. CONCLUSION: CAD might be useful in an earlier detection of subtle breast cancer cases, which might remain otherwise undetected.

Measuring the elastic modulus of polymers using the atomic force microscope

Testing a new method of nanoindentation using the atomic force microscope (AFM) was the purpose of this research. Nanoindentation is a useful technique to study the properties of materials on the sub-micron scale. The AFM has been used as a nanoindenter previously; however several parameters needed to obtain accurate results, including tip radius and cantilever sensitivity, can be difficult to determine. To solve this problem, a new method to determine the elastic modulus of a material using the atomic force microscope (AFM) has been proposed by Tang et al. This method models the cantilever and the sample as two springs in a series. The ratio of the cantilever spring constant (k) to diameter of the tip (2a) is treated in the model as one parameter (α=k/2a). The value of a, along with the cantilever sensitivity, are determined on two reference samples with known mechanical properties and then used to find the elastic modulus of an unknown sample. To determine the reliability and accuracy of this technique, it was tested on several polymers. Traditional depth-sensing nanoindentation was preformed for comparison. The elastic modulus values from the AFM were shown to be statistically similar to the nanoindenter results for three of the five samples tested.

Evaluation of a 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid-conjugated bombesin-based radioantagonist for the labeling with single-photon emission computed tomography, positron emission tomography, and therapeutic radionuclides

PURPOSE: G protein-coupled receptor agonists are being used as radiolabeled vectors for in vivo localization and therapy of tumors. Recently, somatostatin-based antagonists were shown to be superior to agonists. Here, we compare the new [111In/68Ga]-labeled bombesin-based antagonist RM1 with the agonist [111In]-AMBA for targeting the gastrin-releasing peptide receptor (GRPR). EXPERIMENTAL DESIGN: IC50, Kd values, and antagonist potency were determined using PC-3 and HEK-GRPR cells. Biodistribution and imaging studies were done in nude mice transplanted with the PC-3 tumor. The antagonist potency was assessed by evaluating the effects on calcium release and on receptor internalization monitored by immunofluorescence microscopy. RESULTS: The IC50 value of [(nat)In]-RM1 was 14 +/- 3.4 nmol/L. [(nat/111)In]-RM1 was found to bind to the GRPR with a Kd of 8.5 +/- 2.7 nmol/L compared with a Kd of 0.6 +/- 0.3 nmol/L of [111In]-AMBA. A higher maximum number of binding site value was observed for [111In]-RM1 (2.4 +/- 0.2 nmol/L) compared with [111In]-AMBA (0.7 +/- 0.1 nmol/L). [(nat)Lu]-AMBA is a potent agonist in the immunofluorescence-based internalization assay, whereas [(nat)In]-RM1 is inactive alone but efficiently antagonizes the bombesin effect. These data are confirmed by the calcium release assay. The pharmacokinetics showed a superiority of the radioantagonist with regard to the high tumor uptake (13.4 +/- 0.8% IA/g versus 3.69 +/- 0.75% IA/g at 4 hours after injection. as well as to all tumor-to-normal tissue ratios. CONCLUSION: Despite their relatively low GRPR affinity, the antagonists [111In/68Ga]-RM1 showed superior targeting properties compared with [111In]-AMBA. As found for somatostatin receptor-targeting radiopeptides, GRP-based radioantagonists seem to be superior to radioagonists for in vivo imaging and potentially also for targeted radiotherapy of GRPR-positive tumors.