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Systematische Studie der Transfektion von Säugerzellen mittels PDMAEMA-basierter paramagnetischer Nanosterne

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Stahlschmidt, Ullrich:
Systematische Studie der Transfektion von Säugerzellen mittels PDMAEMA-basierter paramagnetischer Nanosterne.
Bayreuth , 2019 . - 160 p.
( Doctoral thesis, 2019 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004332

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Oberfrankenstiftung03847

Project financing: Oberfrankenstiftung

Abstract in another language

Der Transfer genetischen Materials in Säugerzellen („Transfektion“) ist von großer Bedeutung für die Erzeugung genetisch modifizierter Zellen und kann heute mit verschiedenen Techniken bewerkstelligt werden. Bei der nicht-viralen Transfektion werden synthetische Vektoren (z.B. polykationische Polymere) eingesetzt, um das
genetische Material (z.B. Plasmid-DNA) zu binden und in Form von sogenannten Polyplexen in die Zelle zu schleusen. Über die Mechanismen der Aufnahme der Polyplexe und die Freisetzung der DNA im Zellinneren ist jedoch bislang nur wenig bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige sternförmige Nanopartikel
vorgestellt, die sich zur Transfektion von Säugerzellen eignen. Diese "Nanosterne" bestehen aus einem festen γ-Fe2O3-Kern, der mit einer Silica-Hülle beschichtet und via Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) mit Poly(2-(dimethylamino)ethylmethacrylat (PDMAEMA) funktionalisiert wurde. Durch den Eisenoxid-Kern sind die Nanosterne paramagnetisch. Eine Bibliothek dieser
Nanosterne, bei der sich die einzelnen Varianten hauptsächlich in Anzahl und Länge der PDMAEMA-Arme unterscheiden, wurde mit verschiedenen physikochemischen Methoden charakterisiert und die Transfektion von verschiedenen Säugerzellen untersucht. Die gebildeten Polyplexe aus Nanosternen und pDNA wurden auf ihre
Größe und Oberflächenladung über Bestimmung des Zetapotenials und dynamischer Lichtstreuung (DLS) charakterisiert. Die Ladung der Polyplexe korrelierte mit dem N/P Verhältnis (Molverhältnis der Polymer-Aminogruppen zu den Phosphatgruppen der DNA) und erreichte je nach Nanostern ab einem N/P-Verhältnis ≥ 15 einen Sättigungswert von 15 bis 22 mV. Auch die Größe der Polyplexe zeigte eine Abhängigkeit vom N/P-Verhältnis, wobei eine Erhöhung von letzterem bis zu einer Sättigungsgrenze zu einer Verkleinerung der hydrodynamischen Radien führte. Eine Ausnahme bildeten die Nanosterne mit der kleinsten Armdichte, bei denen Aggregationsbildung beobachtet wurde. Der Grund liegt vermutlich in der geringeren elektrostatischen und sterischen Abstoßung der Nanosterne. Die Stabilität der Polyplexe wurde mit dem ΔT-Assay untersucht. Dabei zeigten Polyplexe in HBG Lösung mit steigenden N/P-Verhältnis eine höhere Stabilität als in NaCl-Lösung (150
mM). Als Ursache könnte ein pH-Effekt, der zu einer Veränderung der Ladungsdichte führt, in Betracht kommen. Diese Hypothese wurde durch zusätzliche pH-Messungen bestärkt. Für die Transfektionsstudien wurden Polyplexe aus verschiedenen Varianten der Nanostern-Bibliothek und einem Plasmid, welches für das grün fluoreszierende Protein (GFP) kodiert, gebildet und verschiedene Zelllinien transfiziert (CHO-K1, HEK-293, L929, Jurkat). Transfektionseffizienz und Zytotoxizität korrelierten mit dem N/P Verhältnis und der Architektur der Nanosterne, wobei die Vertreter mit einer Armdichte von ~ 0,06 Ketten/nm² die besten Transfektionsergebnisse zeigten. Des Weiteren wurde der zelluläre Magnetismus untersucht: Mit Nanosternen assoziierte Zellen zeigten magnetische Eigenschaften und konnten durch das Anbringen eines
Magnetfeldes von den übrigen Zellen abgetrennt werden. Dabei wurde kein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen der Zahl an magnetischen Zellen und der Transfektionseffizienz beobachtet. Auffällig war dabei der hohe Anteil magnetischer
Zellen bei der Transfektion mit Nanosternen mit einer geringen Armdichte. Modifizierung der PDMAEMA-Arme mit zusätzlichen äußeren PDEGMA-Blöcken führte in Transfektionsexperimenten zu einer verbesserte Serumkompatibilität gegenüber den unmodifizierten Varianten. Im letzten Teil der Arbeit wurden CHO-K1 Zellen mit verschiedenen Vertretern der Nanostern-Bibliothek transfiziert und in Abhängigkeit von der Kinetik der Interaktion
zwischen Zelle und Nanostern für die Dokumentation per TEM
(Transmissionselektronenmikroskopie) präpariert und chemisch fixiert. Dabei konnten für alle untersuchten Nanostern-Varianten intrazelluläre Aggregationen auf den TEM-Aufnahmen lokalisiert werden. Auffällig war dabei die Co-Lokalisation mit multivesikulären Strukturen (MVBs; „multivesicular bodies“), bei denen es sich vermutlich um späte Endosomen oder Heterolysosomen handelte. Es wurden keine freien Nanopartikel im Zytoplasma oder im Zellkern gefunden. Darüber hinaus wurde
demonstriert, wie die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) die Unterscheidung von Nanopartikeln und kontrastiertem biologischem Material ermöglicht. Ausnahme bildeten die Nanosterne mit der kleinsten Armdichte, bei denen Aggregationsbildung beobachtet wurde. Der Grund liegt vermutlich in der geringeren elektrostatischen und sterischen Abstoßung der Nanosterne. Die Stabilität der Polyplexe wurde mit dem ΔT-Assay untersucht. Dabei zeigten Polyplexe in HBG-Lösung mit steigenden N/P-Verhältnis eine höhere Stabilität als in NaCl-Lösung (150 mM). Als Ursache könnte ein pH-Effekt, der zu einer Veränderung der Ladungsdichte führt, in Betracht kommen. Diese Hypothese wurde durch zusätzliche pH-Messungen bestärkt. Für die Transfektionsstudien wurden Polyplexe aus verschiedenen Varianten der Nanostern-Bibliothek und einem Plasmid, welches für das grün fluoreszierende Protein (GFP) kodiert, gebildet und verschiedene Zelllinien transfiziert (CHO-K1, HEK-293, L929, Jurkat). Transfektionseffizienz und Zytotoxizität korrelierten mit dem N/P Verhältnis und der Architektur der Nanosterne, wobei die Vertreter mit einer Armdichte von ~ 0,06 Ketten/nm² die besten Transfektionsergebnisse zeigten. Des Weiteren wurde der zelluläre Magnetismus untersucht: Mit Nanosternen assoziierte Zellen zeigten magnetische Eigenschaften und konnten durch das Anbringen eines
Magnetfeldes von den übrigen Zellen abgetrennt werden. Dabei wurde kein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen der Zahl an magnetischen Zellen und der Transfektionseffizienz beobachtet. Auffällig war dabei der hohe Anteil magnetischer
Zellen bei der Transfektion mit Nanosternen mit einer geringen Armdichte. Modifizierung der PDMAEMA-Arme mit zusätzlichen äußeren PDEGMA-Blöcken führte in Transfektionsexperimenten zu einer verbesserte Serumkompatibilität gegenüber den unmodifizierten Varianten. Im letzten Teil der Arbeit wurden CHO-K1 Zellen mit verschiedenen Vertretern der Nanostern-Bibliothek transfiziert und in Abhängigkeit von der Kinetik der Interaktion
zwischen Zelle und Nanostern für die Dokumentation per TEM
(Transmissionselektronenmikroskopie) präpariert und chemisch fixiert. Dabei konnten für alle untersuchten Nanostern-Varianten intrazelluläre Aggregationen auf den TEM-Aufnahmen lokalisiert werden. Auffällig war dabei die Co-Lokalisation mit multivesikulären Strukturen (MVBs; „multivesicular bodies“), bei denen es sich vermutlich um späte Endosomen oder Heterolysosomen handelte. Es wurden keine freien Nanopartikel im Zytoplasma oder im Zellkern gefunden. Darüber hinaus wurde
demonstriert, wie die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) die Unterscheidung von Nanopartikeln und kontrastiertem biologischem Material ermöglicht.

Abstract in another language

The transfer of genetic material into mammalian cells ('transfection') is a vital tool for the generation of genetically modified cells. Nowadays, a variety of techniques exist to achieve the latter. Non-viral transfection involves the utilization of synthetic vectors, e.g. polycationic polymers, to condense the genetic material (e.g. plasmid DNA) via electrostatic interaction into complexes, referred to as 'polyplexes'. After particle
formation, the polyplexes can enter the cells via endocytosis. However, the
mechanisms of cellular uptake and intracellular release of the DNA are poorly understood so far. The scope of this work focused on novel star-shaped nanoparticles, referred to as 'nanostars', which are suitable for non-viral transfection of mammalian cells. The structure consists of a solid paramagnetic silica-coated γ-Fe2O3 core, which has been functionalized with Poly(2-(dimethylamino)ethylmethacrylate (PDMAEMA) via atom
transfer radical polymerization (ATRP). A library of highly homogeneous, paramagnetic nano-star polycations with varied arm lengths and grafting densities was characterized using different physico-chemical techniques and was used to conduct transfection studies in several mammalian cell lines. Size and surface charge of polyplexes formed with nanostars and pDNA were determined by measurement of the zeta potential and
dynamic light scattering (DLS), indicating a correlation of polyplex charge with the N/P ratio (polymer nitrogen/DNA phosphorus). For N/P ratios ≥ 15, the polyplex charge reached a plateau of 15 – 22 mV. Polyplex size measurements indicated a correlation with the N/P ratio as well. Increasing the latter resulted in smaller hydrodynamic radii, with the only exception in the case of the nanostars with the lowest grafting
density, which showed aggregate formation. The polyplex stability was assessed with the ΔT assay. It was shown, that at high N/P ratios polyplexes in HBG solution have an increased stability over polyplexes formed in NaCl solution (150 mM). Additional pH measurements indicated a pH effect that leads to an alteration in the charge density. Transfection studies were conducted in different cell lines (CHO-K1, HEK-293, L929 and Jurkat) by formation of polyplexes with different variants of the nanostar library
and a plasmid coding for the green fluorescent protein (GFP). Transfection efficiencies and cytotoxicity varied systematically with the nano-star architecture and the N/P ratio. The arm density was particularly important, with values of approximately 0.06 arms/nm2 yielding the best results. Additionally, the cellular magnetism was examined as well: Cells with associated nano-stars became magnetic and could be separated from the non-magnetic cell population via application of an external magnetic field. No statistical significant correlation was found between the gene delivery potential of a nano-star and its ability to render the cells magnetic. However, a clear trend was observed for transfections with low grafting density nano-stars, which resulted in a high proportion of magnetic cells. Furthermore, end-capping the PDMAEMA-arms with PDEGMA blocks (Poly(di(ethylene glycole)methyl ether methacrylate) showed significantly improved serum compatibility under transfection conditions. In the last chapter of the thesis, CHO-K1 cells were transfected with the nano-star
library and fixed chemically after varied incubation times for TEM (transmission electron microscopy). Intracellular aggregations were observed and documented for all examined nano-stars. Interestingly, the nanostars colocalized with MVBs (“multivesicular bodies”), presumably late endosomes or heterolysosomes. No free nanoparticles were found in the cytoplasm or in the cell nucleus. Furthermore it was demonstrated, how the electron energy loss spectroscopy (EELS) enabled the discrimination between nanoparticle aggregations and contrasted biological structures of the sample

Further data

Item Type: Doctoral thesis
Keywords: ATRP; cellular uptake; CHO cells; EGFP; gene delivery; magnetic nanoparticles; PDMAEMA; PDEGMA; polycation; transfection; SPION; Transfektion; TEM;
Institutions of the University: Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Chemistry > Chair Macromolecular Chemistry II > Chair Macromolecular Chemistry II - Univ.-Prof. Dr. Andreas Greiner
Faculties > Faculty of Engineering Science > Chair Process Biotechnology > Chair Process Biotechnology - Univ.-Prof. Dr. Ruth Freitag
Graduate Schools > University of Bayreuth Graduate School
Faculties
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Chemistry
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Chemistry > Chair Macromolecular Chemistry II
Faculties > Faculty of Engineering Science
Faculties > Faculty of Engineering Science > Chair Process Biotechnology
Graduate Schools
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 500 Science
500 Science > 540 Chemistry
500 Science > 570 Life sciences, biology
600 Technology, medicine, applied sciences > 610 Medicine and health
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering
Date Deposited: 18 May 2019 21:00
Last Modified: 18 May 2019 21:00
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/49029