Synthesis, characterization and initial preclinical evaluation of an imageable Π-Π stacking polymeric micelles platform

Ahmed, Zaheer; Lammers, Twan (Thesis advisor); Bartneck, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Nanopartikel werden häufig als Wirkstoffträgersysteme (WTS) eingesetzt, um die Biodistribution und den (chemo-) therapeutischen Effekt von Therapeutika zu verbessern. Der hydrodynamische Durchmesser der Nanopartikel spielt eine entscheidende Rolle bei der Akkumulation und Penetration am Zielort. Studien haben gezeigt, dass kleine Nanopartikel (ca. 30-50 nm) tiefer in den Tumor eindringen als größere (70-100 nm), und dementsprechend zu einer effizienteren Tumorregression führen. Im Falle von Polymermizellen kann die Größe der Nanopartikel durch die Synthese von amphiphilen Blockcopolymeren mit unterschiedlichen hydrophilen/hydrophoben Anteilen reguliert werden. In dieser Arbeit wurden zwei Wege, die FRP-basierte sowie die RAFT-Polymerisation, zur Synthese von mPEG-b-p(HPMA-Bz) Blockcopolymeren mit unterschiedlichen Molekulargewichten eingesetzt. Bei beiden Polymerisationsverfahren wurde die Größe des hydrophilen Blocks dabei konstant gehalten. Resultierend daraus wurden Polymermizellen in einem Größenbereich von 40 bis 80 nm gewonnen. Ein direkter Vergleich zwischen RAFT- und FRP-basierten Mizellen ergab keinen Unterschied in den physikalisch-chemischen Eigenschaften wie z.B. der Größe, Größen-verteilung, Morphologie, Verkapselungseffizienz, Beladungskapazität und In-vitro-Stabilität. In Übereinstimmung mit unserer Hypothese penetrierten kleinere Mizellen (40 nm) tiefer in 4T1-basierte 3D-Tumor-Sphäroide als mittlere (55 nm) und große (80 nm) Mizellen. Mit Hilfe bildgebender Verfahren können wichtige Informationen zur Zirkulationszeit, Biodistribution und Anreicherung am Zielort der WTS gewonnen werden. Um eine Patienten-Stratifizierung zu ermöglichen, wurde eine PET-bildgebende Version von mPEG-b-p(HPMA-Bz) synthetisiert, die den Radionuklid-Chelator DFO enthält. Da die direkte Polymerisation des monomeren MA-DFO aufgrund seiner radikalfangenden Eigenschaften nicht möglich war, wurde eine Funktionalisierung etabliert, die anschließend zur Polymerisation erfolgte. In einer Proof-of-Concept-Studie konnte mittels 68Ga(III)-Markierung von mPEG-b-p(MA-DFO-co-HPMA-Bz) eine Radioaktivitätsausbeute von >95 % erzielt werden. Erwähnenswert ist außerdem, dass freies und in Mizellen eingebundenes DFO ein ähnliches Fe(III)-Chelationspotenzial zeigten. Die DFO-Funktionalisierung hatte keinen Einfluss auf die Größe, Verkapselungseffizienz und Beladungskapazität der Mizellen, jedoch wurde die In-vitro-Stabilität beeinträchtigt. Die Wirkstofffreisetzung war dabei proportional zur Anzahl der pro Polymerkette eingebauten DFO-Einheiten. Die DFO-Funktionalisierung vermittelte außerdem antioxidative Eigenschaften. Somit konnte letztlich eine theranostische Nanoformulierung hergestellt werden, die sowohl für eine Patienten-Stratifizierung als auch für eine Tumor-gerichtete Kombinationstherapie verwendet werden kann. Insgesamt wurden in dieser Arbeit Polymermizellen unterschiedlicher Größe mit RAFT- und FRP-basierten Polymeren hergestellt. Die DFO-Inkorporation verlieh den Mizellen antioxidative Eigenschaften und ermöglichte ihren Einsatz in bildgebenden Verfahren. In Zukunft sollen die therapeutische Anwendung dieser Mizellen sowie ihr Tumor-Targeting-Potenzial in verschiedenen in vivo Modellen untersucht werden.

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