Synthese und Anwendungen funktionalisierter Polyrotaxane in biologischen Systemen

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Synthese funktionalisierter Polyrotaxane und deren Anwendung in biologischen Systemen. Zuerst wurde ein Baukastensystem bestehend aus wasserlöslichen Polymeren, sowie verschiedene kationische, zucker- bzw. fluoreszenzfunktionalisierte Cyclodextrine synthetisiert. Je nach Kombination von Polymer und Cyclodextrin wurden so verschiedene Polyrotaxane hergestellt, die auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten waren. Die Kombination von Ionen mit kationischen Cyclodextrinen stellte einen sehr wirksamen Vektor für die Gentransfektion dar. Es konnte gezeigt werden, dass die Polyplexe aus diesen Rotaxanen gegenüber PEI sowohl in der Transfektionsrate, als auch in der Zellverträglichkeit, überlegen waren. Insbesondere bei gesunden Zelllinien (C2C12) konnte eine 80-fach höhere Transfektionsrate erzielt werden, bei einer gleichzeitigen Überlebensrate der Zellen von mehr als 90%. Eine weitere Anwendung wurde in der Zellerkennung mittels zuckermodifizierten Cyclodextrinen gefunden. Durch Co-Auffädelung mit fluoreszenzmarkiertem Cyclodextrin konnte die Bindung an Zellen verfolgt werden. Es wurde gezeigt, dass die Rotaxane an rote Blutkörperchen binden und dass eine Differenzierung in der Bindungsstärke zwischen Glucose und Galactose erfolgt. Insgesamt wurde gezeigt, dass Rotaxane durch ihren modularen Aufbau vielfältige Werkzeuge in biologischen Anwendungen darstellen, insbesondere in der Gentransfektion und der Zellerkennung.

The present thesis dicusses the synthesis of functionalized polyrotaxanes and their application in biological systems. Initially, a modular system of water-soluble polymers and different cationic-cyclodextrins and sugar- or fluorescent-modified cyclodextrins were synthesized. Depending on the combination of polymer and cyclodextrins, special polyrotaxanes for the respective application were tailored. The combination of ionen with cationic cyclodextrins demonstrated a very effective vector for gene transfection. The polyplexes made of rotaxanes revealed a higher transfection rate as well as a higher cell viability compared to PEI. Particularly with regard to benign cell lines (C2C12), the transfection rate was 80-fold higher with a cell viability greater than 90%. Another application of polyrotaxanes with sugar-modified cyclodextrins is cell regognition using fluorescent-modified cyclodextrins in a co-threading process to monitor the bonding to cells. The rotaxanes bonded to red blood cells showed different bonding strengths between glucose and galactose. All in all, the modular systems of polyrotaxanes are versatile tools in biological applications, especially with regard to gene transfection and cell recognition.