Amphiphile Nanogele auf Basis aliphatischer Polykarbonate: Neue bioabbaubare Nano-Transporter für hydrophobe Substanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel Klinger
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430915250

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Inkompatibilität hydrophober Medikamente in der Pharmazie ist eine bedeutende Herausforderung. Responsive Nanogele gelten als vielversprechende Wirkstoffträgersysteme (DDS), sind jedoch auf wasserlösliche Medikamente beschränkt. Daher gewinnen amphiphile Nanogele (ANGs) an Bedeutung, die verschiedene Eigenschaften kombinieren: Erstens ermöglichen hydrophile Netzwerksegmente Quellbarkeit und Flexibilität in Wasser. Zweitens erzeugen hydrophobe Gruppen im Netzwerk interne Domänen zur Einlagerung von hydrophoben Wirkstoffen. Drittens erlauben spaltbare Vernetzer die stimuli-responsive Zersetzung von ANG zur Freisetzung. Schließlich ermöglichen abbaubare Netzwerkpolymere die Zersetzung von ANGs zur Ausscheidung aus dem Körper. Um deren therapeutisches Potenzial zu bewerten, wurden spezifische Kriterien zur Optimierung der amphiphilen Struktur hinsichtlich Beladung und Freisetzung hydrophober Medikamente identifiziert. Besonders wichtig ist es, die Vergleichbarkeit von ANGs mit unterschiedlicher Netzwerkzusammensetzung sicherzustellen. Zu diesem Zweck wurde eine neue synthetische Strategie entwickelt, die reaktive Partikel zur Funktionalisierung des internen Netzwerks mit hydrophilen und hydrophoben Gruppen verwendet. Dies ermöglicht den Zugang zu ANG- Bibliotheken mit variabler Netzwerkamphiphilie, aber vergleichbaren kolloidalen Eigenschaften. Zusätzlich wurden maßgeschneiderte Blockcopolymer-Tenside für die Oberflächenfunktionalisierung entwickelt – orthogonal zur internen Netzwerkmodifikation. Spaltbare Vernetzer wurden genutzt, um Netzwerkabbaubarkeit einzuführen, z.B. disulfidbasierte Vernetzer für den Abbau in reduktiver Umgebung. Diese Bibliotheken wurden verwendet, um den Einfluss der Netzwerkhydrophobie auf die Beladung mit hydrophoben Verbindungen zu untersuchen. Spektroskopische Studien mit dem solvatochromen Farbstoff Nilrot (NR) zeigten eine Abnahme der Polarität der NR-Umgebung mit steigender Hydrophobie des Netzwerks. Höhere NR-Konzentrationen führten zur Verlagerung von NR in hydrophilere Umgebungen und begünstigten Farbstoff-Farbstoff-Wechselwirkungen. Diese Ergebnisse korrelieren gut mit Freisetzungsversuchen, die darauf hinweisen, dass NR zuerst aus den hydrophileren Bereichen freigesetzt wird. Zur Vorhersage solcher Wechselwirkungen wurden theoretische Flory-Huggins-Parameter zwischen Medikament und dem amphiphilen Netzwerk berechnet und mit experimentellen Beladekapazitäten von 15 Medikamenten und Farbstoffen korreliert: So konnte ein wirksames Vorhersagemodelle erstellt werden. Zusätzlich zur Entwicklung dieses Verständnisses für ANG-Cargo-Wechselwirkungen, wurde der synthetischer Ansatz auf aliphatische Polycarbonate als abbaubare Netzwerkpolymere übertragen. Zusammenfassend hat dieses Projekt das Potenzial von ANGs als neue DDS erweitert, indem entscheidende Struktur-Eigenschafts-Beziehungen genau ermittelt wurden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Struc2drug lecture series Charité Berlin September 2020 Functional Polymer Colloids and Nanomaterials: From Drug Delivery to Dynamic Shape Change
  D. Klinger
  
• Research Colloquium Biophotonics Group BAM Berlin March 2021 Functional Polymer Nanoparticles: From Drug Delivery to Dynamic Shape
  D. Klinger
  
• 51st Biennial Assembly of German Colloid Society Berlin 28-30 of September 2022 A versatile synthetic platform for amphiphilic nanogels: tailoring network hydrophobicity to drug delivery applications
  A. Markovina; C. López Iglesias; A. Gruber & D. Klinger
  
• ACS National Meeting Fall 2022 August 2022 New synthetic strategies to control colloidal properties after particle preparation
  D. Klinger
  
• Dual-reactive nanogels for orthogonal functionalization of hydrophilic shell and amphiphilic network. Soft Matter, 18(14), 2858-2871.
  Gruber, Alexandra; Navarro, Lucila & Klinger, Daniel
  
• Research Colloquium Helmholtz-Zentrum Hereon Teltow June 2022 Controlling Colloidal Properties through Shape, Morphology, and Chemistry
  D. Klinger
  
• Tag der Pharmazie 2022 “Der wissenschaftliche Nachwuchs stellt sich vor – Young scientists present“, FU-Berlin Synthesis, characterization and applications of amphiphilic nanogels based on polymethacrylates, polyesters and polycarbonates
  C. López-Iglesias; R. Cui; A. Markovina; A. Gruber & D. Klinger
  
• 18th Zsigmondy Colloquium 2023 of the German Colloid Society. Berlin, April 4-6, 2023 Encapsulating hydrophobic cargoes in amphiphilic nanogels: Systematic studies on Nile red microenvironment via fluorescence spectroscopy
  A. Markovina; C. López Iglesias; N. Nirmalananthan-Budau; U. Resch-Genger & D. Klinger
  
• Research Colloquium University of Twente (Enschede, Netherlands) October 2023 Adaptive Polymer Nanoparticles for Drug Delivery
  D. Klinger