Aufklärung und Steuerung des Mechanismus der Aufnahme und intrazellulären Verteilung von in redox-sensitiven Nanogelen gebundenen peptidischen Wirkstoffen in Caco2-Zellen als Modell für Dünndarm Enterozyten

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Groll
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Pharmazie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524851962

Nanohydrogele vereinen die Vorteile von Hydrogelen (Biokompatibilität, hoher Wassergehalt) und Nanopartikeln (hohe Oberfläche, Partikelgröße im subzellulären Bereich) und stellen ein vielversprechendes System zur Arzneimittelverabreichung dar. Meine Arbeitsgruppe hat seit über 10 Jahren Erfahrungen mit redoxsensitiven Nanohydrogelen. Eine Zielrichtung ist der Einsatz für den Transport von Peptidwirkstoffen nach oraler Gabe in die Darmwand. Jüngste Ergebnisse zeigen, dass die Reaktionsführung bei der Nanogel-Herstellung die Verteilung der Nanogele und des Wirkstoffes nach Aufnahme in den Zellen der Darmwand (Enterozyten) beeinflusst. Ziel des Antrags ist, diesen Effekt im Kontext einer oralen Wirkstoff-Verabreichung zu verstehen, zu verstärken und hinsichtlich eines gezielten intrazellulären Wirkstofftransports in verschiedene Organellen oder den Zellkern zu erforschen. Vorarbeiten in Form erster LSM-Analysen und funktioneller Messungen zur Hemmung der Glukoseaufnahme an Mäusedünndärmen und Caco2-Zellen demonstrierten, dass ein Peptid mit antidiabetischen Eigenschaften (RS1-reg) über Nanohydrogele aufgenommen und gezielt an seinen Wirkort am trans-Golgi-Netzwerk transportiert wird. Im Rahmen des Antrags soll die Aufklärung des genauen Mechanismus der Aufnahme biologisch aktiver Wirkstoffe über Nanohydrogele auf Polyglycidol-Basis in Caco2-Zellen und der Möglichkeit zur gezielten Steuerung der Aufnahme ins Cytosol bzw. den Zellkern anhand der beiden Beispiele des antidiabetisch wirkenden Peptids RS1-reg (Wirkungsort Cytosol) sowie des Cas9 Enzyms mit 4 SV40 Kernlokalisierungssequenzen (Wirkungsort Zellkern) erfolgen. Hierzu soll erstens über LSM- und SIM-Mikroskopie einerseits sowie über elektronenmikroskopische Untersuchungen andererseits systematisch analysiert werden, wo sich die Beispiel-Ladungen zeitabhängig akkumulieren in Abhängigkeit von: a) der Nanogel-Herstellungsart b) des Nanogel-Quervernetzungsgrades c) der Abwesenheit bzw. Gegenwart zellpenetrierender Peptide (TAT-Peptid, Penetratin, Transportan). Zweitens soll geklärt werden, ob Nanogele in Kontakt mit Mucus unter den basischen Bedingungen des Dünndarms stabil bleiben oder zerfallen. Drittens soll ermittelt werden, ob die Nanogel-Aufnahme in Gegenwart bzw. Abwesenheit zellpenetrierender Peptide über direkte Membranpermeation oder rezeptorvermittelte Endozytose erfolgt, und ob die Proteinbeladung hierfür erforderlich ist. Falls Endozytose vorliegt, sollen viertens Rezeptoren identifiziert werden, die für eine rezeptorvermittelte Endozytose der Nanogele wichtig sind. Fünftens soll eine Charakterisierung der Bindung der Nanogele mit RS1-reg Peptid bzw. Cas 9 an diese Rezeptor-Proteine erfolgen durch Oberflächenplasmonresonanz-Messungen. Hierfür sollen die gefundenen Membranproteine rekombinant hergestellt und in Lipid-Nanodiscs eingebaut werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Markus Sauer; Dr. Andreas Schlosser