Dendritic Nanocarriers for the Selective and Targeted Metal Ion Transport over Biological Barriers
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projekts war es, Cu-Mangelerscheinungen wie die Alzheimer Krankheit (AD) zu adressieren und die Blut-Hirn-Schranke (BHS) zu überwinden. Es wurden daher biokompatible Nanoträgersysteme für Kupfer (Cu)-Ionen entwickelt und die biologischen sowie physikalisch-chemischen Eigenschaften für den Transport von Cu-Ionen über die BHS untersucht. Dazu wurden Kern-Schale Nanopartikel hergestellt, die auf einem hyperverzweigten Polyglycerin-Kern (hPG) basierten und mit Aminoliganden (CS) sowie PEG-Ketten als äußere Schale (CMS) und gemischte Schale (CRS) ausgestattet waren. Obwohl alle Nanotransporter mit der gleichen theoretischen Anzahl von Komplexierungsstellen ausgestattet waren, zeigten UV/Vis Untersuchungen, dass CS mehr Cu-Ionen stabilisieren konnte als CMS und CRS, was auf die strukturelle Anordnung der Aminoliganden zurückzuführen ist. Um die Freisetzung des Cu vom Nanotransporter für potentielle in vivo Anwendungen zu ermöglichen, wurde der leicht niedrigere pH-Wert im entzündeten Gewebe des AD-Gehirns als Freisetzungsauslöser ausgewählt. Die Cu-Freisetzungsprofile der Nanotransporter, die durch UV/Vis Spektroskopie bei verschiedenen pH-Werten im Bereich von 2 bis 8 bestimmt wurden, zeigten eine Freisetzung von CRS bereits bei pH 7, daher ist die Kupferbindung in diesem Fall zu schwach für in vivo Anwendungen. Allerdings zeigten CS und CMS ein passendes Freisetzungsprofil von Cu bei pH 4. Für in vivo Anwendungen ist es wichtig, dass der Komplex auch in der Anwesenheit von anderen, konkurrierenden, im Blut vorkommenden Metall-Dikationen wie Zn(II), Ni(II), Co(II), Mn(II), Mg(II) und Ca(II) stabil ist. Ein Überschuss dieser Ionen ersetzte die Cu-Ionen im Cu:CMS Komplex nicht, was auf eine starke Bindung und die Eignung dieser Architekturen für den Transport durchs Blut hindeutete. Des Weiteren wurden Größe und Oberflächenladung der Teilchen bestimmt, um die in vivo Anwendbarkeit abschätzen zu können. CS und CMS waren sowohl bei der Größe als auch bei der Auswertung des Zeta-Potenzials vielversprechender für eine lange Blutzirkulationsdauer und eine mögliche BHS-Gängigkeit. Die NP zeigten geringe Zelltoxizität und durch das Anfärben mit geeigneten Farbstoffen konnte ihre zelluläre Aufnahme verfolgt werden. Dabei wurde beobachtet, dass beide NP im Zytosol der Zellen lokalisiert waren. Um außerdem den Transport von Cu-Ionen durch die NP zu untersuchen, wurden Zellen mit verschiedenen Konzentrationen der Cu-beladenen NP inkubiert und die Zelllysate mittels ICP-MS untersucht, um den Kupfergehalt der Lysate zu bestimmen. Es wurde herausgefunden, dass beide NP eine Erhöhung des zellulären Cu- Spiegels erzielen konnten. Dies belegt, dass die NP das Cu in die Zelle transportieren. Ein zelluläres BHS-Modell wurde etabliert und das Permeationsverhalten der Cu-beladenen NP durch die BHS untersucht. Die NP konnten die BHS überqueren, allerdings scheint CS-NP durch ihre guten Komplexierungs- und Freisetzungseigenschaften geeigneter für in vivo Anwendungen zu sein. In den Vorversuchen des folgenden Tierversuchs mit unterschiedlichen Dosen des Cu-beladenen CS konnten wir allerdings keine Erhöhung der Cu-Level in Hirn, Blut oder Leber feststellen. Auch die Aβ-Level, die durch eine Cu-Zugabe erniedrigt werden sollten, waren im Vergleich zur Kontrollgruppe unverändert. Wir vermuten, dass die Cu-Ionen im Komplex nur mäßig gebunden waren und frühzeitig ausgeschieden wurden. Deshalb wurden weitere Nanotransporter auf hPG-Basis hergestellt, die mit stärkeren Cubindenden Aminoliganden ausgestattet waren. Im Vergleich zur ersten Generation, war die Cu-Beladungskapazität dieser Nanocarrier höher und die Partikelgrößen etwas kleiner. Die Partikel waren für Zellen besser verträglich als die erste Generation. Des Weiteren konnten die zellulären Cu-Level durch die Cu-beladenen NPs der zweiten Generation konzentrationsabhängig erhöht werden. Durch die stärkeren Liganden, zeigten die Cu-Freisetzungsprofile eine Komplexdestabilisierung bei etwas niedrigeren pH-Werten als für die erste Generation. Da durch die geringere Toxizität höhere Dosen eingesetzt werden können, sind die NP vielversprechende Kandidaten für unseren Anwendungszweck, die weiter analysiert werden sollten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Angew. Chem. 2014, 125, 2-5, ph-Spaltbare Mikro- und Nanoträgersysteme
S. Nowag,R. Haag
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ange.201308619) - Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 52, 2-5, ph-Responsive, biocompatible micro- and nano-release systems
S. Nowag, R. Haag
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201308619) - Biomacromolecules 2014, 15, 1910-1919. Copper Transport Mediated by Nanocarrier Systems in a Blood-Brain Barrier In Vitro Model
S. Fehse, S. Nowag, M. Quadir, K. S. Kim, R. Haag, G. Multhaup
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/bm500400k) - Charakterisierung von Cu/Nanocarrier-Komplexen im zellulären System. Doktorarbeit, Freie Universität Berlin, 2014
S. Fehse
- Dendritic Nanocarriers for the Transport of Copper Ions across Biological Barriers and their Cellular Release. Doktorarbeit, Freie Universität Berlin. 2014
S. Nowag
- J. Mater. Chem. B 2014, 2, 3915-3918. Biocompatible, Hyperbranched Nanocarriers for the Transport and Release of Copper Ions
S. Nowag, C. Frangville, G. Multhaup, J.-D. Marty, C. Mingotaud, R. Haag
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c4tb00454j) - Macromol. Biosci. 2016. Polyglycerol-Based Copper Chelators for the Transport and Release of Copper Ions in Biological Environments
R. Albrecht, S. Fehse, K. Pant, S. Nowag, H. Stephan, R. Haag, C.C. Tzschucke
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mabi.201500284)
