Despite huge suffering caused by cutaneous leishmaniasis (CL), there is no effective and affordable treatment strategy against CL and no licensed vaccines. The current treatments show limited efficacy and high toxicity. Improved therapies through discovery of novel drugs and/or an alternative treatment approaches are/is urgently needed. We aimed at identifying a novel antileishmanial agent and developing an innovative nanoparticle (NP) based platform for safe and effective treatments against CL. We discovered that polyhexanide (PHMB), a widely used antimicrobial polymer and wound antisepsis, shows an inherent antileishmanial activity at submicromolar concentrations. PHMB appears to kill L. major parasites via a dual mechanism involving disruption of membrane integrity and selective chromosome condensation. However, host chromosomes binding appear to be limited by exclusion from mammalian cell nuclei. Moreover, we attempted to establish effective drug delivery systems that overcome the various shortcomings in the present treatment of CL. In this scenario, we initially studied the cellular interactions of NPs and their uptake mechanisms into mammalian cells before applying them in drug delivery system. We obtained clear evidence for the involvement of multiple endocytic routes to internalize NPs. Physicochemical properties of NPs, cell type, temperature and pathogenesis of the target diseases were shown to be determinant factors. Thereafter, a mechanism based host- and pathogen-directed combination therapy comprising PHMB and CpG ODN immunomodulator was established for overall synergistic effect against CL. It simultaneously targets the pathogen and the host immunity with effective delivery system. The results show that PHMB binds to CpG ODN and form stable nanopolyplexes for efficient cell entry and therapy. The nanopolyplexes displayed enhanced cellular uptake and antileishmanial potency while drastically reducing the toxicity against mammalian cells. In conclusion, our findings clearly indicate that PHMB can be used as effective candidate drug against CL and as non-viral delivery of immunomodulatorynucleic acids. Moreover, our proof-of concept study showed nanomedicine approaches are effective strategy to challenge CL and other human diseases. / Obgleich enorme Leiden mit der kutanen Leishmaniose einhergehen stehen bis dato keine wirkungsvollen und erschwinglichen Therapien oder zugelassene Impfstoffe zur Verfügung. Die derzeitigen Behandlungsmethoden sind kaum effektiv und zeichnen sich vor allem durch ihre enormen Nebenwirkungen aus. Aus diesem Grund ist die Erforschung neuartiger Wirkstoffe und Therapieansätze gegen kutane Leishmaniose zwingend notwendig. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entdeckung eines neuen antileishmanialen Wirkstoffes und die Etablierung eines innovativen und auf Nanopartikeln basierenden Verfahrens zur sicheren und effizienten Behandlung der kutanen Leishmaniose. Das Polyhexanid, welches bereits Verwendung als antimikrobielles Polymer und als Wundantiseptikum findet, weist bereits in submikromolaren Konzentrationen eine immanente antileishmaniale Wirkung auf. Den Beobachtungen zu Folge beeinflusst das Polyhexanid die Integrität der parasitären Zellmembran und führt zur selektiven Chromosomenkondensation des Parasiten Leishmania major. Eine potentielle Chromosomenmodifikation in der Säugetierzelle wird durch den Ausschluss des Polyhexanides aus dem Zellkern verhindert. Um die zahlreichen Mängel der aktuellen Behandlungsmethoden gegen kutane Leishmaniose zu überwinden, wurde zudem ein effizientes System der Wirkstoffabgabe etabliert. Diesbezüglich wurden zunächst die zellulären Wechselwirkungen der Nanopartikel und deren Aufnahme in die Säugtierzelle untersucht ehe diese als Vehikel für den Wirkstoff verwendet wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die Nanopartikel über mehrere endozytische Wege internalisiert werden. Physikochemische Eigenschaften der Nanopartikel, der Zelltyp, die Temperatur und erregerspezifische Pathogenese gehören zu den beeinflussenden Faktoren. Daraufhin wurde eine Kombinationstherapie bestehend aus Polyhexaniden und dem unmethylierten Immunmodulator Zystein-Phosphat-Guanin Oligodeoxynukleotid mit synergistischen antileishmanialen Auswirkungen, etabliert. Dies gestattet eine gegen den Erreger zielgerichtete Behandlung und die zeitgleiche Stimulierung der Wirtsimmunität. Die Bildung eines stabilen Nanopolyplexes bestehend aus dem Polyhexanid und dem oben genannten Immunmodulator befähigen die effiziente Aufnahme in die Zelle und somit die Behandlung. Der Nanopolyplex ermöglicht eine verbesserte Aufnahme in die Zelle und antileishmaniale Wirksamkeit wohingegen die Toxizität gegenüber Säugetierzellen drastisch reduziert ist. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Polyhexanide als effizienter Wirkstoffkandidat gegen kutane Leishmaniose und als nicht-viraler Träger von immunmodulatorischen Nukleinsäuren zu betrachten sind. Zugleich wurde gezeigt, dass die Nanomedizin einen wertvollen Beitrag zur Bekämpfung der kutanen Leishmaniose und sicherlich auch anderer Krankheitserregern leisten kann.

According to estimates, more than 40% of all new chemical entities developed in pharmaceutical industry are practically insoluble in water. Naturally, the demand for excipients which increase the water solubility and thus, the bioavailability of such hydrophobic drugs is enormous. Poly(2-oxazoline)s (POx) are currently intensively discussed as highly versatile class of biomaterials. Although selected POx based micellar drug formulations exhibit extraordinarily high drug loadings > 50 wt.% enabling high anti-tumor efficacies in vivo, the formulation of other hydrophobic compounds has failed. This casts doubt on the general understanding in which a hydrophobic active pharmaceutical ingredient is dissolved rather unspecifically in the hydrophobic core of the micelles following the fundamental concept of “like dissolves like”. Therefore, a closer look at the interactions between all components within a formulation becomes increasingly important. To do so, a large vehicle platform was synthesized, loaded with various hydrophobic drugs of different structure, and the formulations subsequently characterized with conventional and less conventional techniques. The obtained in-depth insights helped to develop a more thorough understanding about the interaction of polymer and incorporated API finally revealing morphologies deviating from a classical core/shell structure. During these studies, the scarcely investigated polymer class of poly(2-oxazine)s (POzi) was found as promising drug-delivery vehicle for hydrophobic drugs. Apart from this fundamental research, the anti-tumor efficacy of the two APIs curcumin and atorvastatin has been studied in more detail. To increase the scope of POx and POzi based formulations designed for intravenous administration, a curcumin loaded hydrogel was developed as injectable drug-depot. / Schätzungen zufolge sind mehr als 40% aller „new chemical entities“, welche in der pharmazeutischen Industrie entwickelt werden, wasserunlöslich. Aus diesem Grund ist der Bedarf an Zusatzstoffen, welche die Wasserlöslichkeit und dadurch die Bioverfügbarkeit erhöhen, enorm. Poly(2-oxazolin)e (POx) werden derzeitig intensiv als vielseitig einsetzbare Biomaterialien untersucht. Obwohl bestimmte POx basierte, mizellare Wirkstoffformulierungen außergewöhnlich hohe Beladungskapazitäten > 50 Gew.% aufwiesen und dadurch ausgeprägte anti-Tumor Effektivität in vivo ermöglichten, schlug die Formulierung anderer hydrophober Stoffe fehl. Dies lässt Zweifel an dem altbewährten Konzept aufkommen, in welchem hydrophobe Arzneistoffe mehr oder weniger unspezifisch im hydrophoben Kern einer Mizelle gelöst werden. Aus diesem Grund ist ein genauerer Blick auf die Interaktionen zwischen allen Bestandteilen einer Formulierung vonnöten. Deshalb wurde eine große Polymerplattform synthetisiert, mit verschiedenen hydrophoben Wirkstoffen unterschiedlicher Struktur beladen und die Formulierungen im Anschluss mit herkömmlichen und weniger herkömmlichen Methoden charakterisiert. Die daraus erhaltenen Einblicke ermöglichten es ein umfassenderes Verständnis über die Interaktionen von Polymer und Wirkstoff zu entwickeln. Innerhalb dieser Studien wurden Aggregate charakterisiert, welche von einer klassischen Kern/Schale Morphologie abwichen. Des Weiteren konnte die kaum erforschte Polymerklasse der Poly(2-oxazin)e (POzi) als vielversprechende Wirkstoffträgerplattform für hydrophobe Wirkstoffe charakterisiert werden. Von dieser Grundlagenforschung abgesehen, wurde die anti-Tumor Effektivität von Curcumin und Atorvastatin Nanoformulierungen untersucht. Um den Anwendungsbereich der POx und POzi basierten Wirkstoffformulierungen, welche für intravenöse Verabreichung entwickelt wurden, zu erweitern, wurde ein Curcumin beladenes Hydrogel als injizierbares Wirkstoffdepot entwickelt.