Towards the clinical translation of extracellular vesicles – surface engineering and optimized vesicle-storage

Abstract

Extracellular vesicles (EVs) are membrane-bound nanoparticles produced by cells. Their main function is the intercellular transport of information. Their natural biological activity and ability to interact with target cells drives the effort for their evaluation as therapeutic agents and their clinical translation. Thus, the present work aimed at evaluating two important topics for the development of EV-therapeutics, engineering the surface of bacterial EVs to introduce targeting moieties and optimizing the lyophilisation of mammalian EVs. Different methods for the surface engineering of bacterial EVs were tested. While cholesterol insertion and activated esters were not successful in our setup, diazotransfer to install azide groups on the EV surface followed by click-chemistry demonstrated high efficiency with low impact on vesicle-integrity. Based on these results modular linker-molecules to tether targeting moieties to the vesicle surface were synthesized and evaluated in proof-of-concept experiments that afforded important insights for future optimization of their design. Initial studies on the lyophilisation and storage of mammalian EVs revealed the high stress of freezing and dehydration. Thus, optimized protocols for the lyophilisation of EVs were developed and successfully produced formulations with long-term stability. Taken together, effective surface engineering by diazotransfer and optimized lyophilisation of EVs were achieved.

Extrazelluläre Vesikel (EVs) sind von Zellen produzierte Nanopartikel, deren Hauptaufgabe der interzelluläre Transport von Informationen ist. Ihre natürliche biologische Aktivität und ihre Fähigkeit mit Zielzellen zu interagieren, waren Auslöser für die Untersuchung von EVs als Therapeutika mit dem Ziel ihrer klinischen Translation. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Evaluierung zweier wichtiger Faktoren für die Entwicklung von EV-Therapeutika, die Oberflächenmodifikation bakterieller EVs mit Molekülen für aktives Targeting und die Lyophilisation von aus Säuger-EVs. Verschiedene Methoden zur Oberflächenmodifikation von bakteriellen EVs wurden getestet. Während Cholesterol-Insertion und aktivierte Ester wenig erfolgreich waren, zeigte Diazotransfer zur Einführung von Azid-Gruppen gefolgt von Click-Chemie-Reaktionen eine hohe Effektivität mit geringem Einfluss auf die EV-Stabilität. Zur Einführung von Targeting- Molekülen wurden verschiedene modulare Linker-Moleküle synthetisiert und in Machbarkeitsstudien evaluiert, diese lieferten wichtige Erkenntnisse für ihre zukünftige Optimierung. Erste Untersuchungen der Lyophilisation und Lagerung von Säuger-EVs zeigten eine hohe Beanspruchung der Vesikel durch Einfrieren und Trocknung. Daher wurden die Protokolle für die EV-Lyophilisation optimiert und EV-Formulierungen mit Langzeitstabilität erfolgreich hergestellt. Insgesamt wurden sowohl bei der Oberflächenmodifikation als auch Lyophilisation von EVs wichtige Fortschritte erzielt.