Polyelectrolyte Complexes and their Therapeutic Potential

Titelangaben

Synatschke, Christopher V.:
Polyelectrolyte Complexes and their Therapeutic Potential.
Bayreuth , 2014 . - 251 S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften – BayNAT)

Volltext

Link zum Volltext (externe URL):

Abstract

This thesis describes the preparation of polyelectrolyte nanostructures, the characterization of interpolyelectrolyte complexes (IPECs) made from these structures and their use in a therapeutic context. The therapeutic use of such IPECs connects the two major topics of this work: First, the delivery of genes into eukaryotic cells in vitro by means of new star-shaped polycations was explored. Second, the structure of ionic multicompartment micelles (MCMs) when complexed with polyions was studied and the performance of these nanostructures as delivery agents of anti-cancer drugs both in vitro and in vivo was tested. To better understand structure-property relationships of polycations relevant for gene delivery, a library of poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate) (PDMAEMA) homopolymers was synthesized. Star-shaped polymers with a different number of arms and molecular weights were created by using sugar-based or inorganic nanoparticles as core molecules with varying number of initiation sites. The cytotoxicity as well as transfection performance of polyplexes from these polymers and plasmid DNA was determined for different PDMAEMA-nitrogen/DNA phosphate ratios in CHO-K1 cells. A decrease of the cytotoxicity of polymers with a given molecular weight was observed with increasing degree of branching, i.e., with increased arm-number. Star-shaped PDMAEMA with roughly 20 arms (Si-PDMAEMA) showed exceptionally high transfection efficiency. The superior transfection behavior of this specific polymer was demonstrated in non-dividing or differentiated (C2C12 and human T lymphocytes) cell lines. Additionally, polymeric micelles were produced from a polybutadiene-block-PDMAEMA diblock copolymer in aqueous solution and subsequently used for gene transfection. Their transfection efficiency was in the same range as that of Si-PDMAEMA, hinting towards a general design principle for highly effective gene vectors. This consists of a star-shaped architecture of PDMAEMA chains emanating from a common center. The second major part of this thesis deals with the structure of ionic MCMs complexed with diverse polycations as well as the drug delivery capabilities of some of these complex micellar structures. MCMs from polybutadiene-block-poly(1-methyl-2-vinyl pyridinium)-block-poly(methacrylic acid) (BVqMAA) triblock terpolymers were used as the basis for further structural modifications. These micelles exhibit a core-shell-corona morphology, where PB forms the core of the micelles, a discontinuous (patchy) shell consisting of an IPEC between P2VPq and PMAA is present and finally a corona of excess PMAA stabilizes the micelles in aqueous solution. At sufficiently high pH a portion of the corona carries negative charges, which were then used to form further IPECs with either cationic homopolymers or double-hydrophilic block copolymers featuring one positively charged block. If polycations other than poly(2-vinyl pyridine) such as quaternized PDMAEMA were used for the complexation, a new and distinguishable IPEC compartment was formed on top of the already existing P2VPq/PMAA IPEC. In the case of MCMs with a short to moderate block length of the corona, i.e., the degree of polymerization (DP) of PMAA was between 345 to 550 units, a layered arrangement of the newly formed IPEC compartment was found. For BVqMAA micelles with a long PMAA corona (DP of PMAA = 1350) complexed with different quaternized homopolymers, a patchy arrangement of the newly formed IPEC compartment instead of a layered one was found. The formation of this new structure is due to an interfacial energy minimization between the new IPEC and the compartmentalized core of the micelles that became possible due to the exceptionally long PMAA corona of the precursor micelles. Finally, MCMs from BVqMAA were tested for their capacity to deliver a hydrophobic anti-cancer drug for photodynamic therapy to lung cancer cells in vitro and in vivo. The influence of the corona composition was studied by forming complexes with a double-hydrophilic diblock copolymer, poly(L-lysine)-block-poly(ethylene glycol) (PLL-b-PEG). A new cylinder-on-sphere morphology was observed in electron microscopy for BVqMAA/PLL-b-PEG complex micelles at high complexation ratios between lysine and MAA units. Highest cytotoxicity and uptake were found for pure BVqMAA micelles, both decreasing with increasing amount of PLL-b-PEG attached to the micelles. In mice, a prolonged blood circulation time in the range of several hours was exclusively observed when fully PEGylated micelles were injected. Those micelles were the only ones showing an enhanced accumulation in a subcutaneous tumor model 24 h after intravenous injection. The amount of drug delivered to the tumor tissue by the micelles suppressed tumor growth for up to 21 days after a single dose injection and photoirradiation step. The potential of complex micelles on the basis of BVqMAA MCMs could thus be proven.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Dissertation behandelt die Herstellung von Polyelektrolyt-Nanostrukturen, sowie die Erzeugung und Charakterisierung von Interpolyelektrolytkomplexen (IPEK) und deren Verwendung in therapeutischen Fragestellungen. Der therapeutische Nutzen solcher Strukturen verbindet die zwei Teilgebiete dieser Arbeit. Im ersten Teil wird die nichtvirale Transfektion von Kulturzellen mit Hilfe von sternförmigen Polykationen auf Basis von Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylat) (PDMAEMA) untersucht. Der zweite Themenkomplex behandelt die Struktur von kompartimentierten Polymermizellen aus Triblock-Terpolymeren. Dabei wurde vorrangig die Komplexbildung mit entgegengesetzt geladenen Polyionen untersucht. Schließlich wurde die Fähigkeit solcher komplexen mizellaren Strukturen zum Wirkstofftransport in der Krebstherapie getestet. Zum Verständnis von Struktur-Wirkungsbeziehungen wurde eine Materialbibliothek aus DMAEMA-Polymeren hergestellt. Es wurden lineare und sternförmige Polymere mit verschiedener Armzahl und Molekulargewichten erzeugt. Alle DMAEMA-Polymere wurden mit Plasmid-DNA komplexiert und die resultierenden Polyplexe auf ihre Transfektionseigenschaften hin untersucht. Es wurde der Trend einer Verringerung der Polymer-induzierten Zytotoxizität mit steigendem Verzweigungsgrad gefunden. PDMAEMA-Sterne mit etwa 20 Armen zeigten eine überragende Transfektionseffizienz in CHO-K1 Zellen, gekoppelt mit einer geringen Zytotoxizität. Diese verbesserten Transfektionseigenschaften wurden auch in anderen Zelllinien bestätigt. Darunter befanden sich konfluente, nicht-teilende C2C12 Zellen sowie ausdifferenzierte humane T-Lymphozyten. Außerdem wurden die guten Transfektionsergebnisse von Si-PDMAEMA ebenfalls mit Mizellen aus einem amphiphilen Diblockcopolymer erreicht. Dies wird als Hinweis auf ein generelles Design-Prinzip gedeutet: PDMAEMA Strukturen, die viele Arme ausgehend von einem gemeinsamen zentralen Punkt haben, sind bei der nicht-viralen Gentransfektion besonders effektiv. Der zweite Themenkomplex dieser Dissertation behandelt die Struktur ionischer kompartimentierter Mizellen, nachdem sie mit entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten komplexiert wurden. Als Basis für diese Untersuchungen dienten Mizellen mit Kern-Schale-Korona Struktur, die sich aus dem Triblockterpolymer Polybutadien-block-poly(1-methyl-2-vinyl pyridinium)-block-polymethacrylsäure (BVqMAA) ausbilden. Nach außen hin werden die Mizellen durch eine dichte Korona aus überschüssigem PMAA stabilisiert, welches für die Komplexbildung mit weiteren Polykationen genutzt werden konnte. Dabei bildet sich ein neues Kompartiment auf der Mizelle aus, das sich je nach verwendetem Polykation von den vorherigen Kompartimenten unterscheiden lässt. Das Kompartiment hatte die Form einer durchgängigen Schale, wenn die BVqMAA Mizellen eine kurze bis mittlere Korona-Länge hatten (345 – 550 MAA Einheiten pro BVqMAA Kette). Wurde für die Komplexbildung anstelle eines Homopolymers ein amphiphiles Diblockcopolymer mit einem positiven und einem wasserlöslichen aber ungeladenen Block verwendet, so konnte eine kolloidale Stabilität der erzeugten komplexen Mizellen über den gesamten Mischbereich zwischen Mizellen und Polykationen erreicht werden. Bei BVqMAA Mizellen mit einer besonders langen PMAA Korona (1350 Einheiten) wurde eine unregelmäßige Verteilung des neu gebildeten IPEK bei der Zugabe von Homopolymeren um den Kern gefunden. Als Ursache für diese neuen Strukturen wird eine Grenzflächenminimierung zwischen ursprünglichem Kern und neu gebildetem Kompartiment vermutet. Abschließend wurden die Mizellen aus BVqMAA auf ihre Effizienz im Transport von hydrophoben Wirkstoffmolekülen für eine photodynamische Krebstherapie getestet. Durch die Komplexbildung der Mizellen mit dem doppelt hydrophilen Diblockcopolymer Poly(L-lysin)-block-poly(ethylenglykol) (PLL-b-PEG) konnte die Zusammensetzung der Mizell-Korona von reinem PMAA kontinuierlich zu einer PEG-Korona verändert werden. Der Einfluss der Korona auf die biologischen Eigenschaften konnte so untersucht werden. Bei einem hohen Anteil an zugegebenem PLL-b-PEG wurde eine neue Struktur gefunden, wobei sich das neu gebildete IPEK-Kompartiment in Zylinderform senkrecht auf dem Mizellkern stehend ausbildet. Bei Untersuchungen der durch die Wirkstoff-tragenden Mizellen verursachten Zytotoxizität konnte ein deutlicher Einfluss der Korona-Zusammensetzung gefunden werden. Die Zytotoxizität wurde mit steigendem Anteil an PLL-b-PEG in der Mizellkorona stetig geringer, wobei der Trend gut mit der in die Zellen aufgenommenen Menge an Wirkstoff korrelierte. In Mäusen wurde eine verlängerte Blutzirkulation im Bereich mehrerer Stunden lediglich für vollständig PEGylierte Mizellen beobachtet. Auch eine signifikante Akkumulation in subkutanen A549-Tumoren wurde nur für solche Mizellen gefunden. Es wurde eine effiziente Wachstumsunterdrückung des Tumors über einen Zeitraum von 21 Tagen erreicht.