Synthese und Charakterisierung von Polyplexmizellen basierend auf biokompatiblen Blockkatiomeren für eine effiziente Gentransfektion

Abstract

Zur erfolgreichen Weiterentwicklung der Gentherapie besteht ein hoher Forschungsbedarf insbesondere bei der Entwicklung effizienter und sicherer nicht-viraler Genvektoren. Die größte Herausforderung ist es eine hohe Gentransfereffizienz neben gleichzeitiger minimaler Zytotoxizität zu erzielen. In diesem Zusammenhang haben kationische Polymere auf Basis von biokompatiblen Poly(2-oxazolin) (POx) und dem bioabbaubaren Poly(aspartamid) (PAsp), welches mit einer Diethylentriamin (DET)-Seitenkette modifiziert vorliegt, ein großes Potential. Blockkatiomere mit einer 1,2-Diaminoethan-Seitenkette komplexieren die DNA effizient im Kern und haben eine geringere Toxizität als der Goldstandard 25 kDA Poly(ethylenimin) (bPEI). In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Polymerarchitektur auf die Eigenschaften des gebildeten Polymer/pDNA-Komplexes untersucht, indem Blockkatiomere mit verschiedenen Blocklängen und Molmassen synthetisiert und vollständig via NMR-Spektroskopie, GCP- und IR-Analysen charakterisiert wurden. Die gebildeten Polyplexmizellen, mit einem Durchmesser von ca. 70 nm, waren stabil in wässriger und isotonischer Lösung. Die Polyplexmizellen sind aufgrund einer Schale-Kern-Mizellenstruktur mit einer neutralen POx-Hülle biokompatibel. Um die Gentransfereffizienz zu verbessern wurde ein reduktiv-spaltbarer Disulfid-Linker in die Polymerstruktur eingeführt. Durch die abspaltbare POx-Hülle wurde die Gentransfereffizienz gesteigert, da dadurch eine höhere Wechselwirkung mit der Zellmembran und damit ein effizienterer endosomaler Austritt erreicht wurden. Es wurde ein weiterer Ansatz für die Steigerung der Gentransportaktivität verfolgt, indem Biotin, als aktiver Ligand für die spezifische Zellaufnahme in die Polymerstruktur eingeführt wurde. Durch die Rezeptor-vermittelte Aufnahme wurde die Gentransfereffizienz bei gleichbleibender Zytokompatibilität maßgeblich erhöht.

The synthesis of biocompatible synthetic catiomers (polyplexes) for in vivo nonviral gene therapy is one of the most important challenges in polymer science and biomedicine. A promising approach in this regard is the use of poly(2-oxazoline) (POx) based block catiomers, which form a biocompatible core-shell polyplex micelle. In this study PMOx/PEtOx was combined with the biocleavable peptide block poly(aspartic acid) (PAsp) and finally modified by diethylenetriamine (DET) at the side chain of the polymer. Block catiomers bearing a 1,2-diaminoethane side chain show, in comparison to commonly used polymers like 25 kDa branched poly(ethylenimine) (bPEI), a higher efficiency and less toxicity in gene transfection. We synthesized block catiomers with different chain lengths and molar masses with focus on the polymer architecture and the desired polymers were characterized by 1H-NMR, SEC and FT-IR. The block catiomers showed an efficient complexation with pDNA, and the resulted polyplex micelles were stable in an aqueous and isotonic medium with a narrowly distributed diameter of ∼70 nm and a zeta potential of ∼4 mV due to the formation of hydrophilic PEtOx/PMOx palisades. Enhancing gene transfection efficiency one promising approach is the use of a cleavable PEtOx shell because of deshielding in intracellular reducing environment. Therefore, a novel block catiomer was designed by introducing a cleavable disulfide linkage between PEtOx and polycation segment P[Asp(DET)]. These micelles showed a higher gene transfection efficiency in HEK293 cells as a result of higher cell uptake and efficient endosomal escape. Another successfully approach to enhance the gene transfer efficiency without increasing the cytotoxicity, is the introduction of biotin to the block catiomer structure as an active targeting ligand. Transfection with biotin-modified micelles led to a significant higher number of fluorescent HEK293 cells due to receptor-mediated endocytosis.