Specific enzymatic cleavage and payload release from peptide-based hybrid nanocapsules

Within this thesis, new approaches for the concepts of peptide-polymer conjugates and peptide-based hybrid nanomaterials are investigated. In the first part, the synthesis of a triblock polymer-peptide-polymer is carried out following a typical peptide coupling reaction, both in solution and on solid-phase. The peptide sequence is chosen, so that it is cleaved by an enzyme preparation of trypsin. End-functionalized polystyrene is used as a model hydrophobic polymer and coupled to the peptide sequence. The results show successful coupling reactions in both methods, while the solid phase method produced a more defined product. Suspensions, consisting of peptide-polymer conjugates particles, are prepared in water by ultrasonication. In contact with the enzyme, the peptide constituting the conjugated particles is cleaved. This demonstrates the enzymatic cleavage in heterophase of enzymatic sequence bond to hydrophobic polymers, and is of great interest for the encapsulation and delivery of hydrophobic molecules.rnA second approach is the preparation of peptide-based hybrid nanocapsules. This is achieved by interfacial polyaddition in inverse miniemulsion with the peptide sequence functionalized with additional amino acids. A method suitable to the use of a peptide sequence for interfacial polyaddition was developed. It is shown that, the polarity of the dispersed phase influences the structures prepared, from particle-like to polymeric shell with a liquid core.rnThe peptide sequence is equipped with a FRET pair (more exactly, an internally-quenched fluorescent system) which allows the real-time monitoring of the enzymatic cleavage of the recognition site. This system shows the successful cleavage of the peptide-based nanocapsules when trypsin preparation is added to the suspensions. A water-soluble fluorescent polymer is efficiently entrapped and its possible use as marker for the capsules is highlighted. Furthermore, a small water-soluble fluorescent dye (SR-101) is successfully encapsulated and the encapsulation efficiency as a function of the functionality of the peptide and the amount of comonomer equivalent (toluene diisocyanate) is studied. The dye is encapsulated at such a high concentration, that self-quenching occurs. Thus, the release of the encapsulated dye triggered by the enzymatic cleavage of the peptide results in a fluorescence recovery of the dye. The fluorescence recovery of the FRET pair in the peptide and of the encapsulated dye correlate well.rnFinally, nanocapsules based on a hepsin-cleavable peptide sequence are prepared. Hepsin is an enzyme, which is highly upregulated in prostate cancer cells. The cleavage of the nanocapsules is investigated with healthy and “cancerous” (hepsin-expressing) cell cultures. The degradation, followed via fluorescence recovery of the FRET system, is faster for the suspensions introduced in the hepsin expressing cell cultures.rnIn summary, this work tackles the domain of responsive nanomaterials for drug delivery from a new perspective. It presents the adaptation of the miniemulsion process for hybrid peptide-based materials, and their successful use in preparing specific enzyme-responsive nanoparticles, with hydrophilic payload release properties.rn

Aggregation of hybrid molecules and film formation of colloidal monolayers

A unique characteristic of soft matter is its ability to self-assemble into larger structures. Characterizing these structures is crucial for their applications. In the first part of this work, I investigated DNA-organic hybrid material by means of Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (FCCS). DNA-organic hybrid materials, a novel class of hybrid materials composed of synthetic macromolecules and oligodeoxynucleotide segmenta, are mostly amphiphilic and can self-assemble into supramolecular structures in aqueous solution. A hybrid material of a fluorophore, perylenediimide (PDI), and a DNA segment (DNA-PDI) has been developed in Prof. A. Hermann’s group (University of Groningen). This novel material has the ability to form aggregates through pi-pi stacking between planar PDIs and can be traced in solution due to the fluorescence of PDI. I have determined the diffusion coefficient of DNA-PDI conjugates in aqueous solution by means of FCS. In addition, I investigated whether such DNA-PDIs form aggregates with certain structure, for instance dimers. rnOnce the DNA hybrid material self-assemble into supermolecular structures for instance into micelles, the single molecules do not necessarily stay in one specific micelle. Actually, a single molecule may enter and leave micelles constantly. The average residence time of a single molecule in a certain micelle depends on the nature of the molecule. I have chosen DNA-b-polypropylene oxide (PPO) as model molecules and investigated the residence time of DNA-b-PPO molecules in their according micelles by means of FCCS.rnBesides the DNA hybrid materials, polymeric colloids can also form ordered structures once they are brought to an air/water interface. Here, hexagonally densely packed monolayers can be generated. These monolayers can be deposited onto different surfaces as coating layers. In the second part of this work, I investigated the mechanical properties of such colloidal monolayers using micromechanical cantilevers. When a coating layer is deposited on a cantilever, it can modify the elasticity of the cantilever. This variation can be reflected either by a deflection or by a resonance frequency shift of the cantilever. In turn, detecting these changes provides information about the mechanical properties of the coating layer. rnIn the second part of this work, polymeric colloidal monolayers were coated on a cantilever and homogenous polymer films of a few hundred nanometers in thickness were generated from these colloidal monolayers by thermal annealing or organic vapor annealing. Both the film formation process and the mechanical properties of these resulting homogenous films were investigated by means of cantilever. rnElastic property changes of the coating film, for example upon absorption of organic vapors, induce a deflection of the cantilever. This effect enables a cantilever to detect target molecules, when the cantilever is coated with an active layer with specific affinity to target molecules. In the last part of this thesis, I investigated the applicability of suitably functionalized micromechanical cantilevers as sensors. In particular, glucose sensitive polymer brushes were grafted on a cantilever and the deflection of this cantilever was measured during exposure to glucose solution. rn

Photo-induced reversible assembly of colloidal polymer nanoparticles

Polymer nanoparticles functionalized on the surface with photo-responsive labels were synthesized. In a first synthetic step, polystyrene was copolymerized with the cross-linker divinylbenzene and poly(ethylene glycol) acrylate in a miniemulsion, to produce nano-sized spheres (~ 60 nm radius) with terminal hydroxyl groups, which were functionalized in a subsequent synthetic step with photo-responsive labels. For this purpose, two photo-active molecular structures were separately used: anthracene, which is well known to form covalently bonded dimers upon photo-excitation; and pyrene, which only forms short lived excited state dimers (excimers). Acid derivatives of these labels (9-anthracene carboxylic acid and 1-pyrene butyric acid) were bonded to the hydroxyl terminal groups of the nanoparticles through an esterification reaction, via the intermediate formation of the corresponding acid chloride.rnThe obtained labeled nanoparticles appeared to be highly hydrophobic structures. They formed lyophobic suspensions in water, which after analysis by dynamic light scattering (DLS) and ultramicroscopic particle tracking, appeared to equilibrate as a collection of singly dispersed nanoparticles, together with a few nanoparticle aggregates. The relative amount of aggregates decreased with increasing amounts of the surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS), thus confirming that aggregation is an equilibrated state resulting from lyophobicity. The formation of such aggregates was corroborated using scanning electron microscopy (SEM). The photo-irradiation of the lyophobic aqueous suspensions of anthracene labeled nanoparticles (An-NP) resulted in the formation of higher aggregates, as evidenced by DLS and ultramicroscopy. The obtained state of aggregation could be reverted by sonication. The possibility to re-aggregate the system in subsequent photo-excitation and sonication cycles was established. Likewise, the photo-irradiation of lyophobic aqueous suspensions of pyrene-labeled nanoparticles (Py-NP) resulted in the formation of higher aggregates, as evidenced by DLS and ultramicroscopy. These appeared to remain aggregated due to hydrophobic interactions. This system could also be re-dispersed by sonication and re-aggregated in subsequent cycles of photo-excitation and sonication.

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Structural and kinetic characterization of DNA polymerases I and III from Escherichia coli

DNA elongation is performed by Pol III α subunit in E. coli, stimulated by the association with ε and θ subunits. These three subunits define the DNA Pol III catalytic core. There is controversy about the DNA Pol III assembly for the simultaneous control of lagging and leading strands replication, since some Authors propose a dimeric model with two cores, whereas others have assembled in vitro a trimeric DNA Pol III with a third catalytic core, which increases the efficiency of DNA replication. Moreover, the function of the PHP domain, located at the N-terminus of α subunit, is still unknown. Previous studies hypothesized a possible pyrophosphatase activity, not confirmed yet. The present Thesis highlights by the first time the production in vivo of a trimeric E. coli DNA Pol III by co-expressing α, τ, ε and θ subunits. This trimeric complex has been enzymatically characterized and a molecular model has been proposed, with 2 α subunits sustaining the lagging-strand replication whereas the third core replicates the leading strand. In addition, the pyrophosphatase activity of the PHP domain has been confirmed. This activity involves, at least, the H12 and the D19 residues, whereas the D201 regulates phosphate release. On the other hand, an artificial polymerase (HoLaMa), designed by deleting the exonuclease domain of Klenow Fragment, has been expressed, purified and characterized for a better understanding of bacterial polymerases mechanism. The absence of exonuclease domain impaired enzyme processivity, since this domain is involved in DNA binding. Finally, Klenow enzyme, HoLaMa, α subunit and DNA Pol III αεθ have been characterized at the single-molecule level by FRET analysis, combining ALEX and TIRF microscopy. Fluorescently-labeled DNA molecules were immobilized, and changes in FRET efficiency enabled us to study polymerase binding and DNA polymerization.

Formation of DNA complexes in aqueous and organic solvents

From a physical-chemical point of view, it is challenging to form complexes with polyelectrolytes, consisting of only molecule of the largest component, i.e. the component with the highest number of charges. In this study, complexes are formed with DNA because of its potential applications as an artificial vector for gene delivery. The aim of this work is to prepare complexes in aqueous solutions as well as in organic solvents containing only one DNA molecule. For this purpose, the topology, equilibrium and conformation of complexes between a supercoiled DNA pUC19 (2686 base pairs) and spermine containing hydrophilic and/or hydrophobic moieties or a polylysine with a hydrophilic block are determined by means of dynamic (DLS) and static light scattering (SLS), atomic force microscopy (AFM), and circular dichroism (CD) spectroscopy. It is demonstrated that all of these complexes consisted of only one molecule of the polyanion. Only the polylysine-b-polyethylene glycol copolymer satisfied the conditions: 1) 100% neutralization of DNA charges and with a small excess of the cation (lower than 30%) and 2) form stable complexes at every charge ratio. rnDNA complex formation is also investigated in organic solvents. Precipitation is induced by neutralizing the charge of the supercoiled DNA pUC19 with the surfactants dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB) and tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB). After isolation and drying of the solids, the complexes are dissolved in organic solvents. DNA-TTA complexes are only soluble in methanol and DNA-DTA in DMF. The complexes again consisted of only one DNA molecule. The final topology of the complexes is different in methanol than in DMF. In the former case, DNA seems to be compacted whereas in the latter case, the DNA-DTA complexes seem to have an expanded conformation. Upon complex formation with polycations in organic solvents (with polyvilylpyridine brush (b-PVP) in methanol and with a protected polylysine in DMF), DNA aggregates and precipitates. rnDNA is linearized with an enzyme (SmaI) to investigate the influence of the initial topology of the polyanion on the final conformation of the complexes in organic solvents. Two main differences are evidenced: 1. Complexes in organic solvents formed with linear DNA have in general a more expanded conformation and a higher tendency to aggregate. 2. If a polycation, i.e. the b-PVP, is added to the linear DNA-TTA complexes in methanol, complexes with the polycation are formed at a higher charge ratio. In DMF, the addition of the same b-PVP and of b-PLL did not lead to the formation of complexes.rn

Biochemische Charakterisierung der Zyklin-abhängigen Kinase 2,Aktivator-Komplexe des Parasiten Eimeria tenella sowie deren Nutzung in der Wirkstoffforschung

Der Stamm der Apicomplexa ist eine artenreiche Gruppe, der einzellige, meist obligat intrazelluläre Parasiten angehören, darunter auch erstzunehmende Krankheitserreger wie Plasmodium sp. sowie tierpathogene Vertreter wie Eimeria sp. und Theileria sp. Eimeria sp. verursacht die Kokzidiose beim Huhn. Diese Krankheit bedingt weltweite Verluste in der Geflügelindustrie von etwa 3 Milliarden US$ pro Jahr [DALLOUL & LILLEHOJ, 2006; SHIRLEY et al., 2007; LUCIUS & LOOS-FRANK, 2008]. Die Parasiten weisen eine hohe Resistenzbildungsrate gegen vorhandene Wirkstoffe auf. Zudem ist der Einsatz von Vakzinen mit Nebenwirkungen verbunden und für hohe Produktionskosten verantwortlich. Daher ist die Entwicklung von neuen, kostengünstigen und effektiven Kokzidiostatika eine dringend notwendige Herausforderung [KINNAIRD et al., 2004]. rnAuf Grund ihrer essentiellen, regulatorischen Funktion im eukaryotischen Zellzyklus sind Zyklin-abhängige Kinasen (CDKs) validierte Zielproteine [LEHNINGER et al., 2005]. Auch Eimeria tenella CDC2-related kinase 2 (EtCRK2) wurde bereits mittels des bekannten CDK-Inhibitors Flavopiridol als Zielprotein chemisch validiert [ENGELS et al., 2010]. Wie bei allen CDKs ist die Aktivität von EtCRK2 abhängig von der Bindung eines Aktivators, der zur Zyklin-Proteinfamilie gehört. Dieser natürliche EtCRK2-Aktivator war jedoch bislang nicht bekannt. Deshalb war ein Teil dieser Arbeit die Identifizierung des natürlichen EtCRK2-Aktivators. Bioinformatische Analysen identifizierten vier E. tenella Zyklin-ähnliche Proteine (EtCYC1, EtCYC3a, EtCYC3b und EtCYC4), die nah verwandt zu den Plasmodium falciparum-Zyklinen sind [ENGELS et al., 2010; SUÁREZ FERNÁNDEZ et al., bislang unveröffentlichte Daten]. Im Rahmen dieser Arbeit konnten zwei neue Aktivatoren identifiziert und biochemisch charakterisiert werden: der bekannte CDK-Aktivator XlRINGO und das neue E. tenella-Zyklin EtCYC3a. Nachdem der nicht-radioaktive TR-FRET-Assay für die EtCRK2 etabliert und optimiert wurde, konnte die EtCRK2-Aktivität im Komplex mit beiden Aktivatoren und weitere wichtige kinetische Parameter bestimmt werden.rnZusätzlich wurde dieser Assay zum in vitro Screening einer kommerziellen Chemikalienbibliothek auf die EtCRK2 eingesetzt, um potentielle Inhibitoren für EtCRK2 zu identifizieren. Dieses in vitro Screening gefolgt von einer in silico Hit-Anreicherung identifizierte 19 aktive Verbindungen für die durch EtCYC3a und XlRINGO aktivierte EtCRK2. Zudem wurden drei Struktur-Cluster definiert: Naphthoquinone, 8-Hydroxyquinoline und 2-Pyrimidinyl-aminopiperidin-propan-2-ole. rnDie aktivsten Vertreter von jedem Cluster wurden als Leitstrukturen ausgewählt und auf EtCRK2 und HsCDK2 getestet. Aufgrund ihrer inhibierenden Wirkung auf EtCRK2 stellen diese Verbindungen viel versprechende Leitstrukturen für die Entwicklung eines neuen Antikokzidiums dar. Hiermit konnte auch gezeigt werden, dass BES124764, der Vertreter des 2-Pyrimidinyl-aminopiperidin-propan-2-ol-Clusters, in der Lage ist, die EtCRK2 selektiv zu inhibieren. rnDaher wird BES124764 sowie einige Derivate in den Leitstruktur-Optimierungsprozess für die Auffindung eines neuen Arzneimittelkandidaten gegen Kokzidiose eingehen.rn

Sintesi e caratterizzazione di nanosistemi biocompatibili per drug delivery nel trattamento dell'Alzheimer

Le nanoparticelle polimeriche offrono grandi vantaggi nella nanomedicina in quanto fungono da carrier per il Drug Delivery e possono essere molto utili per le malattie ancor oggi difficili da trattare quali le neurodegenerative come l’Alzheimer. In questo progetto di tesi sono stati creati nanocarrier polimerici utilizzando come polimero un copolimero a blocchi anfifilico noto come PLGA-b-PEG: con varie tecniche si sono ottenute micelle polimeriche nelle quali sono stati intrappolati come principi attivi sia un farmaco, il liraglutide, sia nanoparticelle di magnesio; il primo può ridurre le placche β-amiloidee, tipiche cause dell’Alzheimer, mentre le seconde possono aumentare la plasticità sinaptica anch’essa legata all’Alzheimer. Inoltre è stato sintetizzato e intrappolato anche un promettente agente diagnostico, ovvero nanoparticelle di ferro, utile per aumentare la sensibilità di tecniche di imaging quali MRI e per la rivelazione precoce di malattie. Tutti i sistemi sono stati caratterizzati con tecniche specifiche per valutare i parametri chiave quali dimensione, polidispersità, carica superficiale e concentrazione dei componenti e successivamente sono state utilizzate per studi biologici effettuati da collaboratori esterni. Tutto questo ha come obiettivo futuro la creazione di un carrier teranostico che racchiuderà al suo interno l’agente terapeutico e l’agente diagnostico per combinare i due effetti principali in un unico carrier.

Functional dna nanostructures for in vitro biosensing in live cells

DNA is a fascinating biomolecule that is well known for its genetic role in living systems. The emerging area of DNA nanotechnology provides an alternative view that exploits unparallel self-assembly ability of DNA molecules for material use of DNA. Although many reports exist on the results of DNA self-assembling systems, still few of them focus on the in vitro study about the function of such DNA nanostructures in live cells. Due to this, there are still a limited research about the in vitro functionality of such designs. To address an aspect of this issue, we have designed, synthesized and characterized two multifunctional fluorescencent nanobiosensors by DNA self-assembling. Each structure was designed and implemented to be introduced in live cells in order to give information on their functioning in real-time. Computational tools were used in order to design a graphic model of two new DNA motifs and also to obtain the specific sequences to all the ssDNA molecules. By thermal self-assembly techniques we have successfully synthesized the structure and corroborate their formation by the PAGE technique. In addition, we have established the conditions to characterize their structural conformation change when they perform their sensor response. The sensing behavior was also accomplished by fluorescence spectroscopy techniques; FRET evaluation and fluorescence microscopy imaging. Providing the evidence about their adequate sensing performance outside and inside the cells detected in real-time. In a preliminary evaluation we have tried to show the in vitro functionality of our structures in different cancer cell lines with the ability to perform local sensing responses. Our findings suggest that DNA sensor nanostructures could serve as a platform to exploit further therapeutic achievements in live cells.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi biopoliesteri aromatici a base di resorcinolo

Il lavoro di tesi si inserisce in un contesto di ricerca molto attuale, che studia la preparazione di nuovi materiali polimerici ad elevate prestazioni e derivabili da fonti rinnovabili. Partendo dal resorcinolo, una molecola che può essere ottenuta da biomassa, e dall’etilene carbonato sono state ottimizzate la sintesi e la purificazione di un diolo, l’1,3-bis(2-idrossietossi)benzene (HER), senza l’impiego di solventi e con l’utilizzo di modeste quantità di catalizzatore. L’HER è conosciuto in letteratura ma è poco studiato e non viene attualmente impiegato come monomero. In questo lavoro L’HER è stato polimerizzato in massa con una serie di diacidi (alcuni derivati da biomassa, altri provenienti da fonti fossili) sia di natura alifatica (lineari e ciclici) che di natura aromatica. Sono state analizzate la struttura chimica e le proprietà termiche dei nuovi poliesteri, in modo da definire correlazioni fra struttura e prestazioni finali. E’ stata infine messa a punto una procedura one-pot per la preparazione dei suddetti poliesteri; essa prevede la sintesi diretta dei polimeri senza lo stadio intermedio di purificazione dell’HER.

Interaktions- und Aggregationsverhalten von Nanopartikeln in Blutserum

Das Interesse an nanopartikulären Wirkstoffsystemen steigt sowohl auf universitärer als auch auf industrieller Seite stetig an. Da diese Formulierungen meist intravenös verabreicht werden, kommt es folglich zu einem direkten Kontakt der Nanopartikel mit den Blutbestandteilen. Adsorption von Plasma Proteinen kann eine deutliche Veränderung der charakteristischen Eigenschaften des Systems induzieren, was dann Wirkungsweise sowie Toxizität stark beinflussen kann. Derzeit findet die Charakterisierung nanopartikulärer Wirkstoffsysteme vor der in vivo Applikation in Pufferlösungen mit physiologischem Salzgehalt statt, es ist jedoch kaum etwas bekannt über deren Wechselwirkungen mit komplexen Proteinmischungen wie sie im Blutserum oder –plasma vorliegen. rnMittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) wurde eine einfache und reproduzierbare Methode entwickelt um die Aggregatbildung zwischen Nanopartikeln, Polymeren oder verschiedenen Wirkstoff-Konjugaten in humanem Blutserum zu untersuchen. Die Anwendbarkeit dieser Methode wurde durch Untersuchung verschiedener potentieller Nanotherapeutika (z.B. Polystyrol-Nanokapseln, Liposomen, amphiphile Blockcopolymere und Nanohydrogele) bezüglich ihrer Aggregation in humanem Blutserum mittels DLS gezeigt und teilweise mit aktuellen in vivo Experimenten verglichen. rnDarüber hinaus wurden größeneinheitliche Liposomen, basierend auf Disteraoylphosphatidylcholin, Cholesterol und einem Spermin-Tensid, hergestellt. Die Einkapselung von siRNA ist, je nach Präparationsmethode, mit Einkapselungseffizienzen von 40-75% möglich. Nach detaillierter Charakterisierung der Liposomen wurden diese ebenfalls bezüglich ihres Aggregationsverhaltens in humanem Blutserum untersucht. Unbeladene Liposomen aggregieren nicht mit Komponenten des Serums. Je nach Beladungsprotokoll können aggregierende sowie nicht aggregierende Liposomen-siRNA Komplexe hergestellt werden. rnWeiterhin wurden, zur Identifikation der Aggregation induzierenden Serumkomponenten, verschiedenen Serumsfraktionierungstechniken erfolgreich angewendet. Albumin, IgG, und Lipoproteine (VLDL, LDL) sowie verschiedene Proteinmischungen konnten isoliert und für weitere Aggregationsstudien mittels DLS verwendet werden. Für einige ausgesuchte Systeme konnten die Interaktionspartner identifiziert werden. rnDie Korrelation des Aggregationsverhaltens mit den strukturellen sowie funktionellen Eigenschaften der untersuchten Nanopartikel führt zu dem generellen Ergebnis, dass leicht negativ und leicht positiv bis neutrale Partikel eine geringe Tendenz zur Aggregation in Serum haben. Auch zwitterionische Substanzen zeigen eine hohe Serumstabilität. Hingegen aggregieren stark positiv und negativ geladene Partikel vermehrt.rn

Diblock copolymer - nanocrystal hybrids for optoelectronic applications

Small, smaller, nano - it is a milestone in the development of new materials and technologies. Nanoscience is now present in our daily lives: in the car industry with self-cleaning surfaces, in medicine with cancer therapies, even our clothes and cosmetics utilize nanoparticles. The number and variety of applications has been growing fast in recent years, and the possibilities seem almost infinite. Nanoparticles made of inorganic materials have found applications in new electronic technologies, and organic nanomaterials have been added to resins to produce very strong but light weight materials.rnThis work deals with the combination of organic and inorganic materials for the fabrication of new, functional hybrid systems. For that purpose, block copolymers were made with a long, solubility-enhancing and semiconducting block, and a short anchor block. They were synthesized by either RAFT polymerization or Siegrist polycondensation. For the second block, an active ester was grafted on and subsequently reacted with the anchor molecules in a polymer analogue reaction. The resulting block copolymers had different properties; poly(para-phenylene vinylene) showed self-assembly in organic solvents, which resulted in gelling of the solution. The fibers from a diluted solution were visible through microscopy. When polymer chains were attached to TiO2 nanorods, the hybrids could be integrated into polymer fibers. A light-induced charge separation was demonstrated through KPFM. The polymer charged positively and the charge could travel along the fibers for several hundred nanometers. Polymers made via RAFT polymerization were based on poly(vinyltriphenylamine). Ruthenium chromophores which carried anchor groups were attached to the second block. These novel block copolymers were then attached to ZnO nanorods. A light-induced charge separation was also demonstrated in this system. The ability to disperse inorganic nanoparticles within the film is another advantage of these block copolymers. This was shown with the example of CdSe tetrapods. Poly(vinyltriphenylamine dimer) with disulfide anchor groups was attached to CdSe tetrapods. These four-armed nanoparticles are supposed to show very high charge transport. A polymer without anchor groups was also mixed with the tetrapods in order to investigate the influence of the anchor groups. It was shown that without them no good films were formed and the tetrapods aggregated heavily in the samples. Additionally, a large difference in the film qualities and the aggregation of the tetrapods was found in the sample of the polymer with anchor groups, dependent on the tetrapod arm length and the polymer loading. These systems are very interesting for hybrid solar cells. This work also illustrates similar systems with quantum dots. The influence of the energy level of the polymer on the hole transport from the polymer to the quantum dots, as well as on the efficiency of QLEDs was studied. For this purpose two different polymers were synthesized with different HOMO levels. It was clearly shown that the polymer with the adjusted lower HOMO level had a better hole injection to the quantum dots, which resulted in more efficient light emitting diodes.rnThese systems all have in common the fact that novel, and specially designed polymers, were attached to inorganic nanocrystals. All of these hybrid materials show fascinating properties, and are helpful in the research of new materials for optoelectronic applications.

Biologischer Lichtsammler (LHCII) für Halbleiternanokristalle (Quantum Dots)

Der light harvesting complex II (LHCII) ist ein pflanzliches Membranprotein, das in seiner trimeren Form über 40 Chlorophylle bindet. In der Pflanze kann er besonders effizient Licht sammeln und die Anregungsenergie anschließend fast verlustfrei über andere chlorophyll-bindende Proteine an die Reaktionszentren weiterleiten. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften war es ein Ziel dieser Arbeit, rekombinanten LHCII mit synthetischen Komponenten zu kombinieren, die zur Ladungstrennung befähigt sind. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Halbleiternanokristalle (Quantum Dots, QDs) ausgewählt, die je nach Zusammensetzung sowohl als Energieakzeptoren als auch als Energiedonoren in Frage kamen. Durch Optimierung des Puffers gelang es, die Fluoreszenzquantenausbeute der QDs in wässriger Lösung zu erhöhen und zu stabilisieren, so dass die Grundvoraussetzungen für die spektroskopische Untersuchung verschiedener LHCII-QD-Hybridkomplexe erfüllt waren.rnUnter Verwendung bereits etablierter Affinitätssequenzen zur Bindung des LHCII an die QDs konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit verwendeten Typ-I QDs aus CdSe und ZnS sich kaum als Energie-Donoren für den LHCII eignen. Ein Hauptgrund lag im vergleichsweise kleinen Försterradius R0 von 4,1 nm. Im Gegensatz dazu wurde ein R0 von 6,4 nm für den LHCII als Donor und Typ-II QDs aus CdTe, CdSe und ZnS als Akzeptor errechnet, wodurch in diesem System eine höhere Effizienz des Energietransfers zu erwarten war. Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen von Hybridkomplexen aus LHCII und Typ-II QDs ergaben eine hohe Plausibilität für einen Fluoreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) vom Lichtsammler auf die QDs. Weitere QD-Affinitätssequenzen für den LHCII wurden identifiziert und deren Bindekonstanten ermittelt. Versuche mit dem Elektronenakzeptor Methylviologen lieferten gute Hinweise auf eine LHCII-sensibilisierte Ladungstrennung der Typ-II QDs, auch wenn dies noch anhand alternativer Messmethoden wie z.B. durch transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt werden muss. rnEin weiteres Ziel war die Verwendung von LHCII als Lichtsammler in dye-sensitized solar cells (DSSC). Geeignete dotierte TiO2-Platten wurden ermittelt, das Verfahren zur Belegung der Platten optimiert und daher mit wenig Aufwand eine hohe LHCII-Belegungsdichte erzielt. Erste Messungen von Aktionsspektren mit LHCII und einem zur Ladungstrennung fähigen Rylenfarbstoff zeigen eine, wenn auch geringe, LHCII sensibilisierte Ladungstrennung. rnDie Verwendung von Lanthanide-Binding-Tags (LBTs) ist ein potentielles Verfahren zur in vivo-Markierung von Proteinen mit Lanthanoiden wie Europium und Terbium. Diese Metalle besitzen eine überdurchschnittlich lange Lumineszenzlebensdauer, so dass sie leicht von anderen fluoreszierenden Molekülen unterschieden werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, eine LBT in rekombinanten LHCII einzubauen und einen Lumineszenz Resonanz Energietransfer (LRET) vom Europium auf den LHCII nachzuweisen.rn

Studio e progettazione di prodotti vernicianti per l'edilizia a base acquosa

Lo scopo del lavoro di tesi, svolto presso gli stabilimenti della Ditan Color Srl di Palazzolo Acreide (SR), è stato quello di realizzare un rivestimento colorato a base acquosa per il settore edile avente uno spessore medio del film essiccato di circa 150 micron, rivestimento definito a “basso spessore”, da applicare con sistemi tradizionali (rullo, spray, pennello) su intonaci “civili”, a base di calce e/o cemento, rasature cementizie e su pitture minerali esistenti. La caratteristica peculiare di questa pittura è la presenza di un sistema sinergico di “leganti” costituito da resine acriliche, silossaniche e da silice colloidale a dimensioni nanometriche. La presenza di PV con leganti acrilici, acril/silossanici, minerali a base di calce aerea o silicato di potassio è una realtà da tempo consolidata. Il mercato offre moltissime soluzioni legate alle caratteristiche delle superfici da trattare, alle esigenze dei clienti o semplicemente alle aree geografiche. Con questo progetto si è valutata la possibilità di includere tra i leganti un nuovo componente, il gel di silice a dimensioni nanometriche (diametro delle particelle < 100 nm) e di monitorare le proprietà del prodotto finito. Le caratteristiche fondamentali per classificare il PV sono: l’adesione della pittura ai supporti, intesa come misurazione dell’aderenza per trazione diretta; la traspirabilità del film essiccato – con conseguente ruolo attivo del PV nello scambio tra ambiente interno ed esterno - intesa come determinazione del grado di trasmissione del vapore acqueo secondo la norma UNI EN ISO 7783; la resistenza all’acqua meteorica - con conseguente protezione dello stato e della salubrità delle murature - intesa come determinazione del grado di trasmissione dell’acqua liquida secondo la UNI EN 1062-3. Lo studio è iniziato con la messa a punto del tipo di sistema disperdente/bagnante e del suo dosaggio, quindi del dosaggio di pigmento TiO2. Successivamente è stato valutato il comportamento di una serie di sistemi leganti contenenti vari tipi di polimeri e l’effetto della presenza di silice colloidale. Infine, sulle formulazioni ottimizzate, sono state condotte prove di adesione al supporto, traspirabilità e resistenza all’acqua meteorica.

Functional polymer based nanoparticles : development of defined complex structures as basis for in-vitro and in-vivo applications

In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Zugang zu einer Vielzahl von Polymerstrukturen auf Basis des klinisch zugelassenen Polymers Poly(N-(2-Hydroxypropyl)-methacrylamide) (PHPMA) entwickelt. Der synthetische Zugang beruht zum einen auf der Verwendung von Reaktivesterpolymeren und zum anderen auf der Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) Polymerisationsmethode. Diese Form einer kontrollierten radikalischen Polymerisation ermöglichte es, neben der Synthese von besser definierten Homopolymeren auch statistische und Blockcopolymere herzustellen. Die Reaktivesterpolymere können durch einfache Aminolyse in HPMA-basierte Systeme überführt werden. Somit können sie als eine vielversprechende Basis zur Synthese von umfangreichen Polymerbibliotheken angesehen werden. Die hergestellten Polymere kombinieren verschiedene Funktionalitäten bei konstantem Polymerisationsgrad. Dies ermöglicht eine Optimierung auf eine gezielte Anwendung hin ohne den Parameter der Kettenlänge zu verändern.rnIm weiteren war es durch Verwendung der RAFT Polymerisation möglich partiell bioabbaubare Blockcopolymere auf Basis von Polylactiden und HPMA herzustellen, in dem ein Kettentransferreagenz (CTA) an ein wohl definiertes Polylactid Homopolymer gekoppelt wurde. Diese Strukturen wurden in ihrer Zusammensetzung variiert und mit Erkennungsstrukturen (Folaten) und markierenden Elementen (Fluoreszenzfarbstoffe und +-emittierenden Radionukleide) versehen und im weiteren in vitro und in vivo evaluiert.rnAuf Grund dieser Errungenschaften war es möglich den Einfluss der Polymermikrostruktur auf das Aggregationsverhalten hin mittel Lichtstreuung und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass erst diese Informationen über die Überstrukturbildung die Kinetik der Zellaufnahme erklären können. Somit wurde die wichtige Rolle von Strukturwirkungsbeziehungen nachgewiesen.rnSomit konnte neben der Synthese, Charakterisierung und ersten biologischen Evaluierungen ein Beitrag zum besseres Verständnis zur Interaktion von polymeren Partikeln mit biologischen Systemen geleistet werden.