Starch based cationic polymers for gene delivery

Abstract

Starch and starch derivatives are widely utilized pharmaceutical excipients, but so far have rarely been used for intracellular delivery of nucleotides. The concept of this thesis was to make use of starch as a biodegradable backbone and modify it with cationic side chains in order to achieve excellent transfection efficiency while maintaining biocompatibility and enzymatic biodegradability. A sufficiently controllable, reproducible and efficient side chain modification could be achieved via a water soluble intermediate of oxidized starch and an optimized protocol using the conjugation reagent, 4-(4,6-Dimethoxy-1,3,5-triazin-2-yl)-4-methyl-morpholinium chloride. Systematic variation of MW fraction of the starch backbone and the side chain type, polyethyleneimine (MW = 0.8 kDa), diethylenetriamine, tetraethylenepentamine and tris(2-aminoethyl)amine, and amount of cationic side chains (20 – 35 wt%) yielded a series of cationic starch derivatives. Following purification and chemical characterization by GPC, NMR and FT-IR, they were tested for enzymatic degradability by alpha amylase. Nano-scale complexes with plasmid DNA could be easily generated and were compared to standard 25 kDa branched polyethylene imine polyplexes regarding cytotoxicity and transfection efficiency. Some of the synthesized cationic starch derivatives were confirmed to show better properties than positive controls, namely, higher transfection efficiency, lower cytotoxicity and enzymatic biodegradability.

Stärke und Stärkederivate sind weit verbreitete Arzneistoffträger, die bisher kaum für Transfektion Verwendung finden. Das Konzept dieser Arbeit war die Verwendung von Stärke als biologisch abbaubares Grundgerüst. Durch die Kopplung von kationischen Seitenketten wurde eine Transfektionseffizienz erzielt, ohne dabei die Biokompatibilität und enzymatische Abbaubarkeit zu verlieren. Eine kontrollierbare, reproduzierbare und effektive Seitenkettenmodifikation konnte durch ein wasserlösliches Zwischenprodukt aus oxidierter Stärke und ein optimiertes Reaktionsprotokoll erreicht werden. Systematische Variation des molekularen Gewichtanteils von Haupt- und Seitenketten, namentlich unterschiedlicher Menge an, Polyethylenimin (MW = 0.8 kDa), Diethylentriamin, Tetraethylenpentamin oder Tris (2-aminoethyl) amin, sowie die Variation des MWs der Hauptkette lieferte einer Reihe von kationischen Stärkederivaten. Die gereinigten und chemisch charakterisierten Stärkederivate wurden hinsichtlich ihrer enzymatischen Abbaubarkeit mittels α-Amylase untersucht. Nanoskalige Komplexe mit Plasmid-DNA wurden hergestellt und mit 25 kDa Polyethylenimin Polyplexen hinsichtlich Zytotoxizität und Transfektionseffizienz verglichen. Einige der synthetisierten kationischen Stärkederivate zeigten bessere Eigenschaften im Vergleich zur Positivkontrolle, da sie höhere Transfektionseffektivität, geringere Zytotoxizität und zusätzlich enzymatische und hydrolytische Abbaubarkeit aufwiesen.