Entwicklung von Freisetzungssystemen für Biomoleküle für regenerative Anwendungen

Abstract

Die regenerative Medizin ist ein multidisziplinäres Forschungsfeld mit dem Ziel, beschädigtes Gewebe und dessen biologische Funktion wiederherzustellen oder vollständig zu ersetzen. Durch eine Kombination von Biomaterialien, Biomolekülen und Zellen werden biologisch inspirierte Umgebungen geschaffen sowie Zellfunktionen gezielt gesteuert. Der Einsatz von nanoporösen Silica-Nanopartikeln (NPSNPs) als Freisetzungssystem zur Verbesserung der derzeitigen Ansätze hat im Laufe der Jahre zunehmend Aufmerksamkeit erlangt. Mit ihnen als Plattform können maßgeschneiderte Freisetzungssysteme, die eine kontrollierte und ortsspezifische Freisetzung von Biomolekülen ermöglichen, für verschiedenste Anwendungen entwickelt werden. Den Schwerpunkt des ersten Teils dieser Arbeit stellt die Synthese zweier verschiedener Sorten NPSNPs sowie deren Oberflächenmodifizierung mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen mittels der post-grafting-Methode dar. Die Variation der Oberflächeneigenschaften ermöglichte unterschiedliche Wechselwirkungen mit Biomolekülen, sodass die Immobilisierungsmenge und das Freisetzungsverhalten eingestellt werden konnten. Darauf aufbauend widmet sich der zweite Teil der Entwicklung eines intrazellulären Drug Delivery-Systems für short interfering-Ribonukleinsäuren (siRNAs) mittels der synthetisierten und modifizierten Silica-Nanopartikel. Mithilfe von siRNAs lassen sich einzelne Genexpressionen herunterregulieren, wodurch Zelleigenschaften gezielt beeinflusst werden können. Um eine effektive Aufnahme in Zellen zu gewährleisten, wurden die siRNA-beladenen Nanopartikel mit einer Lipidhülle versehen. Neben der Zytotoxizität der entwickelten Nanoträger wurde die Fähigkeit, die siRNAs innerhalb von Zellen wieder freizusetzen, über die Herunterregulierung eines Testproteins untersucht. Die in vitro-Experimente lieferten vielversprechende Ergebnisse und es konnte eine Herunterregulierung (Knockdown) bis zu 45 % verzeichnet werden. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Zellaufnahme, die Zellviabilität und die Transfektionseffizienz von Parametern wie der Partikelgröße bzw. -morphologie sowie der Zusammensetzung der Lipidformulierung abhängen. Im Mittelpunkt des letzten Teils steht der Wachstumsfaktor VEGF (vascular endothelial growth factor), der maßgeblich an der Bildung neuer Blutgefäße beteiligt ist. Das entwickelte Freisetzungssystem auf Basis der Silica-Nanopartikel fand als Füllmaterial in einer Gerüststruktur aus Fibrin, die mithilfe von Endothelzellen prävaskularisiert werden sollte, Anwendung. Dafür wurde die Immobilisierung des Wachstumsfaktors auf NPSNPs und die anschließende Freisetzung analysiert. Zudem wurde der Einfluss von in Fibrin eingebetteten, VEGF-beladenen Nanopartikeln auf die Kapillarbildung von Endothelzellen in vitro beurteilt. Die Untersuchungen demonstrierten eine kontinuierliche und langfristige Freisetzung des Wachstumsfaktors von den NPSNPs und einen positiven Effekt auf die Bildung kapillarartiger Strukturen (Tubes) der Endothelzellen. Zusammenfassend wurden im Rahmen dieser Arbeit die Eigenschaften der Silica-Nanopartikel-basierten Freisetzungssysteme erfolgreich an die gewünschten biologischen Anforderungen angepasst und das Potential in Hinblick auf ihre Anwendung in der regenerativen Medizin in vitro evaluiert.