Selbstorganisation von Cyclodextrinen und Polymeren zu Polyrotaxanen und deren biomedizinische Anwendungen

Abstract

In dieser Arbeit ist die Synthese von Cyclodextrin-Polyrotaxanen (CD-PRx) und deren Anwendung in der Gentransfektion sowie als polymere Prodrug beschrieben. Im ersten Teil wurden kationische PRx auf Basis von Ionenen und einem Polyamidin hergestellt und das Komplexierungsvermögen der PRx mit DNA untersucht. Es wurden ca. 120 nm große kationische Polyplexe erhalten. Mittels in vitro Transfektionsstudien wurde gezeigt, dass die Transfektionseffizienzen der PRx vergleichbar mit dem kommerziell erhältlichen Polyethylenimin sind und ein Zusammenhang zwischen der Ladungsdichte des Polykations mit der Transfektionseffizienz besteht. Im nächsten Schritt wurden die kationischen Polyplexe zunächst mit anionischer CD-modifizierter Hyaluronsäure und final mit adamantyliertem Transferrin beschichtet. Diese oberflächenfunktionalisierten Partikel können via rezeptorvermittelter Endocytose verbessert in die Zelle aufgenommen werden. Im zweiten Teil wurde ein anionisches Hydroxypropyl-β-CD-Polyrotaxan auf Basis von biokompatiblem Poly(decamethylen phosphat) hergestellt. Dieses kann als slow release Formulierung für Hydroxypropyl-β-CD (HP-β-CD), einem Wirkstoff zur Solubilisierung des aggregierten Cholesterols in der Niemann-Pick (NPC) Krankheit, eingesetzt werden. Nach Bestimmung der Freisetzungskinetik des HP-β-CD wurde das therapeutische Potential des PRx an NPC-Fibroplasten evaluiert. Die zelluläre Aufnahme und der Abbaus des PRx konnte mit einem fluoreszenzmarkierten PRx nachgewiesen werden.

This thesis was focused on the assembly of cyclodextrin-polyrotaxanes (CD-PRx) and their application in gene transfection and for drug delivery. In the first part, cationic PRx based on ionenes and an polyamidine were assembled and the polyplex formation of these PRxs with DNA was evaluated. The resulting 120 nm sized polyplexes showed transfection efficiencies being comparable to polyethyleneimine, a commercially available cationic transfection agent. Furthermore, a relation between the charge density and the transfection efficiency of polycations was established. In the next step, the cationic polyplexes were coated first with anionic CDmodified hyaluronic acid, and afterwards with adamantylated transferrin. This surface modification enables an enhanced uptake of the particles via receptor mediated endocytosis leading to higher transfection efficiencies. The second part of this thesis describes the assembly of an anionic PRx from hydroxypropyl-β-CD (HP-β-CD) and poly(decamethylene phosphate) as an biocompatible and degradable polymer backbone. This PRx serves as a slow release formulation for HP-β-CD, a therapeutically active compound for the treatment of the Niemann Pick disease type C (NPC). After the investigation of the release of HP-β-CD from the PRx, the therapeutic potential of the PRx was evaluated in NPC deficient fibroblast cells. The uptake into and the degradation of the PRx within the cells were followed by using a respective PRx labeled with a fluorescence dye.