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Die Nanomedizin beschäftigt sich unter anderen mit der Frage, wie sich die Behandlung gefährlicher Krankheiten effizienter und sicherer gestalten lässt, deren konventionelle Therapie oftmals mit schweren Nebenwirkungen einhergeht. Die Vision ist, ein theranostisches Wirkstoffträgersystem zu schaffen, das seinen therapeutischen Cargo sicher an den Wirkort transportiert, dort freisetzt und gleichzeitig in Echtzeit verfolgt werden kann, um die Therapie individuell anzupassen. Die Grundlage für die erfolgreiche Entwicklung eines Wirkstoffträgersystems bilden Untersuchungen zum Verhalten von nanopartikulären Substanzen in physiologischer Umgebung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden polymere Nanopartikel unterschiedlicher Morphologie durch die kontrollierte Selbstorganisation amphiphiler Blockcopolymere hergestellt, charakterisiert und auf ihre Wechselwirkungen mit menschlichen Zellen und Serumproteinen untersucht. Dazu wurde eine Studie zur Geometrie- und Größenabhängigkeit der Zytoxizität von nanoskaligen Kugel- und Zylindermizellen sowie Vesikelstrukturen durchgeführt. Des Weiteren wurde das Agglomerationsverhalten von verschiedenen polymeren Nanopartikeln in Anwesenheit von Serumproteinen untersucht. Mit Hilfe eines Mikromischer-basierenden Verfahrens gelang es, kontinuierlich sehr einheitliche Polymervesikel herzustellen und diese in situ mit unterschiedlichen Komponenten zu beladen - unter anderem mit dem Wirkstoff Camptothecin sowie einer hohen Dichte an hydrophoben Eisenoxid-Nanopartikeln. Diese wirkstoffbeladenen Hybridvesikel zeigten in vitro im Vergleich zum freien Wirkstoff eine erhöhte zytotoxische Wirksamkeit gegen die Krebszelllinie PC-3. Nach einer Funktionalisierung mit einem krebszellspezifischen Targeting-Peptid und einer zusätzlichen Fluoreszenzmarkierung wurde mit Hilfe der Durchflusszytometrie und konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie eine rezeptor-spezifische Zellaufnahme in PC-3-Krebszellen demonstriert. Messungen zur magnetischen Charakterisierung bestätigten zudem die potenzielle Anwendung magnetischer Polymervesikel als MRT-Kontrastmittel wie auch als Tracer für das Magnetic Particle Imaging (MPI). Kontinuierlich hergestellte, wirkstoffbeladene, magnetische Polymervesikel erfüllen somit viele Grundvoraussetzungen für ein theranostisches Wirkstoffträgersystem und bieten weitere Entwicklungsmöglichkeiten im Hinblick auf Magnetfluid-Hyperthermie, magnetisches Targeting oder eine durch ein Magnetfeld induzierte Wirkstofffreisetzung.
Probing Polymersome-Protein and -Cell Interactions: Structural Characterization and In Vito Studies
(2011)
Micromixer technology was used to prepare polymeric vesicles (Pluronic® L-121) dual loaded with the anti-cancer drug camptothecin and magnetic nanoparticles. Successful incorporation of the magnetic nanoparticles was confirmed by transmission electron microscopy. Dynamic light scattering measurements showed a relatively narrow size distribution of the hybrid polymersomes. Camptothecin polymersomes reduced the cell viability of prostate cancer cells (PC-3) measured after 72 h significantly, while drug-free polymersomes showed no cytotoxic effects. Covalent attachment of a cancer targeting peptide (bombesin) as well as a fluorescent label (Alexa Fluor® 647) to the hybrid polymersomes was performed and specific cell binding and internalization were shown by flow cytometry and confocal microscopy. Relaxometry measurements clearly demonstrated the capacity of magnetic polymersomes to generate significant T2-weighted MRI contrast and potentially allow for direct monitoring of the biodistribution of the polymersomes. Micromixer technology as an easy, fast and efficient way to manufacture hybrid polymersomes as theranostic drug delivery devices is a further step from basic research to personalized medicine.
Developing polymersomes for drug delivery purposes requires a deeper understanding of their behavior in physiological environment. We performed the self-assembly and in-situ loading of polybutadiene-block-polyethyleneoxide (PB-b-PEO) polymersomes in a continuous process using micromixers. Varying the length and end-groups of the starting block copolymer allows us to control the polymer membrane thickness and surface functionalities (hydroxyl or carboxylic acid), required to realize a further coupling with specific cell targeting ligands. To get a deeper understanding of these polymersomes in physiological environment, we studied the cellular response (HeLa cells) in presence of various polymersomes, and showed by cytotoxicity tests the relative biocompatibility of the systems. Flow cytometry experiments at 4?°C in PBS buffer showed a different behavior of hydroxyl-functionalized vesicles compared to carboxylic acid-functionalized vesicles. On the contrary cell binding in DMEM medium supplemented with 10% FCS was almost completely blocked with both kinds of polymersomes. Protein adsorption measurements by dynamic light scattering confirmed that protein binding occurs in all cases, which apparently influences the particle-cell interaction. This study contributes towards a deeper understanding of polymersomes in biological environment and further investigations will help us to design highly effective polymersomes for in vitro as well as in vivo applications.