Polymer-induzierte endosomale Freisetzung für drug delivery: die mechanistische Verknüpfung von pH-induzierter Polymerbindung, Leakage, Fusion und anderem physikalisch-chemischen Membranverhalten

• Antragstellerin: Dr. Maria Hoernke
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415894560

Biologische Membranen bestehen aus einer vielfältigen Lipidmischung, die in einer Doppelschicht angeordnet ist. Beim Transport von Wirkstoffen an ihren Wirkort stellen Lipidmembranen von Zellen und Organellen Barrieren dar, die überwunden werden müssen. Wirkstoffe, die durch Endozytose in Zellen aufgenommen werden, sind zunächst im Endosom von einer Membran umgeben. Erst nach endosomaler Freisetzung können sie im Zytosol oder im Zellkern wirken. Andernfalls würde der Inhalt des Endosoms ins Lysosom übergehen und dann abgebaut werden. Besonders für die Transfektion von genetischem Material zur Gentherapie oder mRNA-Therapie oder für Proteinwirkstoffe wie beispielsweise Enzyme stellt die endosomale Freisetzung die größte Hürde im Drug Delivery-Prozess dar. Von der Abschnürung des Endosoms von der Plasmamembran, über frühes und spätes Endosom bis zum Lysosom verringert sich der pH-Wert von 7,4 bis 4,5. Darüber hinaus enthalten die Membranen von frühem oder spätem Endosom negativ geladenen Lipide, die es in der Plasmamembran nicht gibt. Strategien die endosomale Freisetzung zu verbessern verbinden diese beiden Aspekte: Peptide oder biomimetische Polymere, die nur beim niedrigen endosomalem pH-Wert positiv geladen sind, sollen selektiv nur die negativ geladene endosomale Membran permeabilisieren. Dabei sollen andere Organellen und die Plasmamembran intakt bleiben. Gerade in diesem Punkt müssen die derzeit genutzten Transfektionspolymere hinsichtlich ihrer Toxizität verbessert werden. Für ein rationales Polymerdesign fehlt allerdings elementares Wissen zum Wirkmechanismus, wie es etwa in den letzten Jahrzehnten auf dem Gebiet der ganz ähnlich wirkenden antimikrobiellen Peptide und Polymere gesammelt wurde. Ich sehe großes Potential darin, die verschiedenen Membraneffekte die durch die Polymere ausgelöst werden in ihrem Zusammenwirken zu verstehen. Zentral hierbei sind die vielfältigen Mechanismen der Membranpermeabilisierung. Diese können aber nicht losgelöst von anderen physikalisch chemischen Membraneffekten betrachtet werden. Das vorgeschlagene Projekt untersucht wie diese verschiedenen Membraneffekte durch systematisch variierte Polymere für endosomale Freisetzung unter verschiedenen Bedingungen gezielt hervorgerufen werden können. Ziel ist, aufgrund neu verstandener mechanistischer Details und Struktur-Wirkungsbeziehung für pH-sensitive Polymere, Verbesserungsvorschläge für (Co-)Polymere, Kombinationen von Polymeren oder DNA-Polyplexe zu machen. Dabei wird das Zusammenspiel von Membranbindung, Membranpermeabilisierung, Membranaggregation und Fusion in Abhängigkeit der pH- sensitiven Polymerladung, der Lipidzusammensetzung der Membran, und der Länge der Polymerketten mithilfe detaillierter biophysikalischer Membranuntersuchungen aufgeklärt. Daraus ergeben sich umfangreiche Optimierungsoptionen für therapeutische Polymere mit Selektivität für negativgeladene Membranen für endosomale Freisetzung, aber auch für antimikrobielle oder Krebstherapie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen