University, Diss., 2003--Jena. / Text engl.

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Biofilme aeroterrestrischer Mikroorganismen stellen im nicht-medizinischen Bereich ein ständig größer werdendes Problem dar. Sie tragen ebenfalls wesentlich zur Verwitterung von Fassaden bei und verursachen durch die daraus resultierende Notwendigkeit der Entfernung des Biofilms und Instandsetzung der Fassaden hohe Kosten. Auch das von Biofilmen auf Innenwänden von Gebäuden ausgehende Gesundheitsrisiko für den Menschen ist schwerwiegend. Solarzellen sind aufgrund ihrer rauen Glasoberfläche ebenfalls ein bevorzugter Siedlungsort für Biofilme. Auf diesen können sie durch Verschattung die Effizienz der Solarzellen deutlich herabsetzen. Die Entfernung von Biofilmen erfordert vor allem den Einsatz von Bioziden, welche ihrerseits eine Belastung für die Umwelt darstellen und zudem oft nur begrenzte Wirksamkeit zeigen. Ziel dieser Arbeit ist daher, das Potenzial der Photodynamischen Inaktivierung (PDI) als alternative Methode zur Beseitigung oder zur Prävention der Bildung von Biofilmen zu bestimmen. Dazu wurden unterschiedliche Photosensibilisatoren (PS) bezüglich ihrer Phototoxizität auf im Rahmen dieser Arbeit etablierte phototrophe Modellkulturen in Suspension, subaquatischen und subaerialen Biofilmen untersucht. Neben der Entwicklung der Biomasse während der PDI wurde mittels spektroskopischer Methoden zudem die Aktivität der Kulturen sowie die EPS-Sekretion und die Biofilmbildung gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die kationischen PS PCor+ und TMPyP zur PDI phototropher Kulturen erfolgreich genutzt und die Biofilmbildung verhindert werden kann. Es wurde gezeigt, dass dieses Resultat ohne Aufnahme der PS in die Zellen erzielt wird. Dies ist bezüglich der Vermeidung einer möglichen Resistenzentwicklung der Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung. Somit wurden mit dieser Arbeit die Voraussetzungen für die Entwicklung photodynamisch aktiver, antimikrobieller Oberflächenbeschichtungen zur Prävention des Wachstums aeroterrestrischer Biofilme geschaffen. / Biofilms of aeroterrestrial microorganisms are an ever-increasing problem in non-medical applications. They also contribute significantly to the weathering of facades and cause high costs due to the resulting necessity of removing the biofilm and repairing the facades. Furthermore, the health risk for humans caused by biofilms on interior walls of buildings is serious. In addition, solar cells are a preferred location for biofilms due to condensation on their rough glass surface. Growing there, they can significantly reduce the efficiency of the solar cells by shading, a problem which gains even more importance with increasing operating times of solar modules. In the removal of biofilms, biocides are prevalent. They are in turn a burden on the environment and often show only limited effectiveness. The aim of this work is therefore to determine the potential of Photodynamic Inactivation (PDI) as an alternative method to eliminate or prevent the formation of biofilms. Different Photosensitizers (PSs) were investigated with respect to their phototoxicity on phototrophic model cultures established in suspension, subaquatic and subaerial biofilms. In addition to biomass development during PDI, spectroscopic methods were used to measure culture activity, EPS secretion and biofilm formation. It was shown that the cationic PSs PCor+ and TMPyP can be successfully used for PDI of phototrophic cultures and that biofilm formation can be prevented. It has been shown that this result is achieved without uptake of PS into the cells. This is of decisive importance with regard to the avoidance of a possible resistance development in the microorganisms. Thus, this work created the prerequisites for the development of photodynamically active, antimicrobial surface coatings for the prevention of the growth of aeroterrestrial biofilms.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die photophysikalische Untersuchung Photosensibilisator-beladener Nanopartikel als Transportsysteme für aktives und passives Tumor-Targeting. Zu diesem Zweck wurden sowohl stationäre, als auch zeitaufgelöste spektroskopische Methoden angewandt. Der erste Teil beschäftigt sich mit der photophysikalischen Charakterisierung von Pheo-HSA-Nanopartikeln. Mittels stationärer und zeitaufgelöster Messungen konnte gezeigt werden, dass die Wechselwirkungen zwischen Phäophorbid a und den HSA-Nanopartikeln sehr stark ist. Diese Wechselwirkungen bewirken eine geringe Singulettsauerstoffquantenausbeute (0,07) in D2O verglichen mit dem von Phäophorbid a in Ethanol (0,52). Im Gegensatz dazu konnte nach der Inkubation in Jurkat- und HT-29-Zellen eine intrazelluläre Singulettsauerstoffgenerierung der Pheo-HSA-NPs nachgewiesen werden. Im zweiten Teil wurden mit den Photosensibilisatoren mTHPP and mTHPC beladene HSA- und PLGA-Nanopartikel untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Photosensibilisator-Beladungsrate die photophysikalischen Eigenschaften der HSA- und PLGA-Nanopartikel stark beeinflusst. Für die HSA-Nanopartikel dominieren bei geringen Beladungsraten die Wechselwirkungen zwischen HSA und den Photosensibilisatormolekülen. Mit steigender Beladung spielen Wechselwirkungen zwischen den Photosensibilisatormolekülen eine zunehmende Rolle. Diese Wechselwirkungen verringern bei hoher Beladung der HSA-Nanopartikel die Generierung von Singulettsauerstoff. Auch für die PLGA-Nanopartikel konnte mit zunehmender Beladung ein verstärktes Singulettsauerstoffquenching nachgewiesen werden. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden, für aktives Targeting von Tumorzellen, Oberflächenmodifizierte PLGA- und HSA-Nanopartikel untersucht. Die intrazellulären Singulettsauerstoffmessungen weisen auf eine erleichterte Aufnahme in Tumorzellen von Antikörper- und PEG-modifizierten HSA-Nanopartikeln in vitro hin. / The main goal of this PhD thesis is the photophysical investigation of biodegradable photosensitizer-nanoparticle carrier systems achieving passive and active tumour targeting strategies. For this purpose both steady state and time-resolved spectroscopic methods accompanied by data analysis were utilized. This work contains three main parts: First the photophysical properties of Pheo-HSA nanoparticles were compared to free pheophorbide a. Steady-state and time-resolved fluorescence experiments have already proved that the interaction between pheophorbide a and HSA nanoparticles is strong. This interaction leads to low singlet oxygen quantum yield (0.07) in D2O compared to free Pheo (0.52) in ethanol. But when incubated in Jurkat and HT-29 cell lines, Pheo-HSA nanoparticles have been proved to generate singlet oxygen inside cells. In the second part the well-known photosensitizers mTHPP and mTHPC were loaded to HSA- and PLGA- nanoparticles. It was found that the loading ratio determines the photophysical properties of both photosensitizer-loaded HSA and PLGA nanoparticles. For HSA nanoparticles, photosensitizer-nanoparticle interaction is the preferential mechanism in low loading ratio sample. But in high loading ratio sample, photosensitizer-photosensitizer interaction becomes the determining interaction. This interaction prevents singlet oxygen generation from high loading sample. For PLGA nanoparticles, high drug loading ratio also leads to a strong singlet oxygen quenching. At high drug loading ratio PLGA nanoparticles, some photosensitizer molecules may be localized deeply inside PLGA matrices and far away from surface. In the third part of this work, active tumour targeting behaviour achieved by surface modification of HSA and PLGA nanoparticles has been tested. Intracellular singlet oxygen measurement reveals that HSA nanoparticles, both with antibody and PEG surface modification have an enhanced targeting of tumour cells in vitro.

Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die photophysikalische Untersuchung von drei unterschiedlichen Photosensibilisator-Transportsystemen hinsichtlich ihrer Eignung für die photodynamische Therapie. In Fulleren-Pyropheophorbid-a-Konjugaten (P6, FHP6, FP6) finden nach Lichtabsorption effiziente Energietransferprozesse sowie exzitonische Wechselwirkungen unter den Pyropheophorbid a Chromophoren statt. Exzitonische Interaktionen limitieren das Potential der Komplexe zytotoxischen Singulett-Sauerstoff unter Lichtanregung zu generieren. Im Molekül FP6 wurde zusätzlich ein Elektrontransfer vom Pyropheophorbide a zum Fulleren beobachtet. FP6 ist daher für die photodynamische Therapie ungeeignet, kann aber aufgefaßt werden, als die Kombination eines Lichtsammelkomplex mit ladungsseparierendem Zentrum. Weiterhin wurde die Eignung von wasserlöslichen Zinkprotoporphyrin (ZnPP) Polymerkonjugaten als neuartige Photosensibilisatoren für die photodynamische Therapie von soliden Tumoren untersucht. Pegyliertes ZnPP (PEG-ZnPP) bildet mizellare Aggregate in Lösung, wobei die hydrophoben ZnPP Kopfgruppen starke exzitonische Wechselwirkungen unter Lichtanregung eingehen. Dies führt zu einer Unterdrückung der Generierung von Singulett-Sauerstoff in wässriger Lösung. Für ein Styren-Maleinsäure Copolymer, welches ZnPP nicht-kovalent inkorporiert (SMA-ZnPP), wurde ähnliche Resultate gefunden. In-vitro Experimente zeigten, dass die Mizelle nach Aufnahme in die Tumorzellen ihre Integrität verliert und ZnPP monomer freigesetzt wird. Unter Beleuchtung generiert SMA-ZnPP eine hohe Phototoxizität. Polymere Träger-Photosensibilisator Systeme erlauben die Entwicklung effizienter photodynamische Therapien unter der Voraussetzung, das die intramolekularen Transferprozesse unter den Chromophoren gezielt manipuliert werden durch das Trägersystem und somit vorteilhaft genutzt werden können. / The main objective of the thesis is the photophysical investigation of three different photosensitizer-carrier systems concerning the applicability of these macromolecules for photodynamic therapy. For hexapyropheophorbide a-fullerene [C60] molecular systems (P6, FHP6, FP6) it was found that after light absorption the pyropheophorbide a chromophores in all three compounds undergo very efficient energy transfer as well as partly excitonic interactions. The last process limits the potential of the compounds to generate cyctotoxic singlet oxygen under illumination. In the molecule FP6 a fast photoinduced electron transfer process from pyropheophorbide a to the fullerene moiety has been observed additionally. FP6 is inapplicable for PDT but this molecule can be considered as a combination of a light-harvesting system consisting of several separate pyropheophorbide a molecules and a charge-separating center. Furthermore the photosensitizing capabilities of water-soluble polymer conjugates of zinc protoporphyrin (ZnPP) as novel compounds for photodynamic therapy against solid tumors have been investigated. Pegylated ZnPP (PEG-ZnPP) forms micellar aggregates in solution whereas the hydrophobic ZnPP headgroups undergo strong excitonic interactions under illumination. This leads to suppression of singlet oxygen generation in aqueous solution. For a styrene-maleic acid copolymer incorporating ZnPP in a non-covalent fashion (SMA-ZnPP) similar results have been obtained. In-vitro experiments showed that the polymeric micelle is liberated after tumor cell uptake and ZnPP is released in monomeric form. Under illumination SMA-ZnPP generates strong phototoxicity. Polymer carrier-photosensitizer complexes will allow the development of more efficient PDT treatments under the precondition that the intramolecular transfer processes among photosensitizing molecules are selectively manipulated through the carrier system and therefore beneficially utilized.