Progressive loss of skeletal muscle mass, strength and function poses a major threat to independence and quality of life, particularly in the elderly. To date, sarcopenia therapy consists of resistance exercise training in combination with protein supplementation due to the limited efficacy of available pharmacological options in counteracting the effects of muscle wasting. Therapeutic intervention with growth factors including insulin-like growth factor I (IGF-I) or inhibitors of myostatin  a potent suppressor of myogenesis  hold potential to rebalance the altered activity of anabolic and catabolic cytokines. However, dosing limitations due to acute side effects and disruptions of the homeostasis have so far precluded clinical application. Intending to provide a therapy with a superior safety and efficacy profile by directing drug release to inflamed tissue and minimizing off-target activity, we designed bioresponsive delivery systems for an anti-catabolic peptide and anabolic IGF-I responding to local flares of muscle wasting. In Chapter I, current concepts for bioorthogonal conjugation methods are discussed and evaluated based on various drug delivery applications. With a focus on protein delivery, challenges and potential pitfalls of each chemical and enzymatic conjugation strategy are analyzed and opportunities regarding their use for coupling of biomolecules are given. Based on various studies conjugating proteins to polymers, particles and biomaterials using different site-directed approaches, the chapter summarizes available strategies and highlights certain aspects requiring particular consideration when applied to biomolecules. Finally, a decision process for selection of an optimum conjugation strategy is exemplarily presented. Three of these bioorthogonal coupling reactions are applied in Chapter II detailing the potential of site-directed conjugation in the development of novel, homogenous drug delivery systems. The chapter describes the design of a delivery system of a myostatin inhibitor (MI) for controlled and local release counteracting myositis flares. MI release from the carrier is driven by increased matrix metalloproteinase (MMP) levels in compromised muscle tissues cleaving the interposed linker, thereby releasing the peptide inhibitor from the particulate carrier. Release experiments were performed to assess the response towards various MMP isoforms (MMP-1, -8, -9 and -13) – as upregulated during skeletal muscle myopathies – and the release pattern of the MI in case of disease progression was analyzed. By selection of the protease-sensitive linker (PSL) showing variable susceptibilities to proteases, release rates of the MI can be controlled and adapted. Immobilized MI as well as released MI as response to MMP upregulation was able to antagonize the effects of myostatin on cell signalling and myoblast differentiation. The approach of designing bioresponsive protein delivery systems was also applied to the anabolic growth factor IGF-I, as described in Chapter III. Numerous studies of PEGylated proteins or peptides reveal, that successful therapy is challenged by safety and efficacy issues, as polymer attachment considerably alters the properties of the biologic, thereby jeopardizing clinical efficacy. To this end, a novel promising approach is presented, intending to exploit beneficial effects of PEGylation on pharmacokinetics, but addressing the pharmacodynamic challenges by releasing the protein upon entering the target tissue. This was realized by integration of a PSL between the PEG moiety and the protein. The soluble polymer conjugate was produced by site-directed, enzymatic conjugation of IGF-I to the PSL, followed by attachment of a 30 kDa-PEG using Strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC). This strategy illustrates the potential of bioorthogonal conjugation (as described in Chapter I) for generation of homogenous protein-polymer conjugates with reproducible outcome, but also emphasizes the altered protein properties resulting from permanent polymer conjugation. As compared to wild type IGF-I, the PEGylated protein showed considerable changes in pharmacologic effects – such as impaired insulin-like growth factor binding protein (IGFBPs) interactions, submaximal proliferative activity and altered endocytosis patterns. In contrast, IGF-I characteristics were fully restored upon local disintegration of the conjugate triggered by MMP upregulation and release of the natural growth factor. For successful formulation development for the proteins and conjugates, the careful selection of suitable excipients is crucial for a safe and reliable therapy. Chapter IV addresses one aspect by highlighting the chemical heterogeneity of excipients and associated differences in performance. Polysorbate 80 (PS80) is a surfactant frequently used in protein formulations to prevent aggregation and surface adsorption. Despite being widely deployed as a standard excipient, heterogeneous composition and performance entails the risk of eliciting degradation and adverse effects on protein stability. Based on a comprehensive study using different batches of various suppliers, the PS80 products were characterized regarding chemical composition and physicochemical properties, facilitating the assessment of excipient performance in a formulation. Noticeable deviations were recorded between different suppliers as well as between batches of the same suppliers. Correlation of all parameters revealed, that functionality related characteristics (FRCs) could be reliably predicted based on chemical composition alone or by a combination of chemical and physicochemical properties, respectively. In summary, this thesis describes and evaluates novel strategies for the targeted delivery and controlled release of biologics intended to counteract the imbalance of anabolic and catabolic proteins observed during aging and musculoskeletal diseases. Two delivery platforms were developed and characterized in vitro – (i) using anti-catabolic peptides immobilized on a carrier for local delivery and (ii) using soluble IGF-I polymer conjugates for systemic application. Both approaches were implemented by bioorthogonal coupling strategies, which were carefully selected in consideration of limitations, side reactions and efficiency aspects. Bioresponsive release of the active biomolecules following increased protease activity could be successfully realized. The therapeutic potential of these approaches was demonstrated using various cell-based potency assays. The systems allow targeted and controlled release of the growth factor IGF-I and anti-catabolic peptides thereby overcoming safety concerns of current growth factor therapy and thus positively impacting the benefit-risk profile of potent therapeutics. Taking potential heterogeneity and by-product concerns into account, comprehensive excipient characterization was performed and a predictive algorithm for FRCs developed, in order to facilitate formulation design and guarantee a safe and efficient therapy from start to finish. / Der zunehmende Verlust an Skelettmuskelmasse, Kraft und Funktion stellt insbesondere bei Älteren eine wesentliche Gefährdung der Unabhängigkeit und Lebensqualität dar. Bislang besteht die Sarkopenie-Therapie infolge der eingeschränkten Wirksamkeit verfügbarer pharmakologischer Möglichkeiten, den Auswirkungen des Muskelschwunds entgegenzuwirken, aus einer Kombination von Krafttraining und erhöhter Proteinzufuhr. Therapeutische Intervention mit Wachstumsfaktoren wie Insulin-like growth factor (IGF-I) oder Inhibitoren von Myostatin – eines wirkungsvollen Hemmstoffes der Myogenese – bietet das Potenzial, die veränderte Aktivität der anabolen und katabolen Zytokine wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Allerding haben Dosiseinschränkungen aufgrund akuter Nebenwirkungen und Beeinträchtigungen der Homöostase bislang eine klinische Anwendung ausgeschlossen. Mit der Absicht, eine Therapie mit besserem Sicherheits- und Wirksamkeitsprofil zu bieten, indem die Freisetzung des Wirkstoffs auf entzündetes Gewebe gelenkt wird und Aktivitäten außerhalb des Zielgewebes minimiert werden, entwickelten wir bioresponsive Freisetzungssysteme für ein antikataboles Peptid und das anabole IGF-I, die auf lokalen Ausbruch von Muskelschwund reagieren. In Kapitel I werden aktuelle Konzepte bioorthogonaler Konjugationsmethoden diskutiert und auf Basis einer Vielzahl von Drug Delivery Anwendungen beurteilt. Mit besonderem Fokus auf die Verabreichung von Proteinen werden Herausforderungen und Schwierigkeiten jeder chemischen und enzymatischen Konjugationsstrategie analysiert und Möglichkeiten im Hinblick auf ihre Verwendung für die Kopplung von Biomolekülen aufgezeigt. Auf Grundlage diverser Studien zur Verknüpfung von Proteinen mit Polymeren, Partikeln und Biomaterialien unter Verwendung verschiedener ortsspezifischer Ansätze, fasst das Kapitel vorhandene Strategien zusammen und hebt gewisse Aspekte hervor, die bei Anwendung auf Biomoleküle besondere Beachtung erfordern. Abschließend wird ein Entscheidungsprozess zur Auswahl einer optimalen Verknüpfungsstrategie exemplarisch dargestellt. Drei dieser bioorthogonalen Kopplungsreaktionen werden in Kapitel II angewendet, wodurch das Potenzial der ortsgerichteten Konjugation für die Entwicklung neuer, homogener Drug Delivery Systeme detailliert aufgezeigt wird. Dieses Kapitel beschreibt die Gestaltung eines Delivery Systems für einen Myostatin- Inhibitor (MI) für kontrollierte und lokale Freisetzung, um Myositis-Ausbrüchen entgegenzuwirken. Die Freisetzung des MI vom Träger wird durch erhöhte Konzentration an Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) in betroffenem Muskelgewebe vorangetrieben, die durch Spaltung des dazwischen positionierten Linkers das Peptid vom Partikelträger freisetzen. Es wurden Freisetzungsexperimente durchgeführt, um die Reaktion gegenüber mehreren MMP-Isoformen (MMP-1, -8, -9 und -13), die im Verlauf von Skelettmuskelmyopathien hochreguliert sind, festzustellen, und es wurde das Freisetzungsmuster des MI im Falle einer Krankheitsprogression analysiert. Durch Auswahl der Protease-sensitiven Linker (PSL), die unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber Proteasen zeigen, können die Freisetzungsraten des MI kontrolliert und angepasst werden. Sowohl der immobilisierte MI, als auch der auf MMP-Hochregulation hin freigesetzte MI, waren dazu in der Lage, die Wirkungen von Myostatin auf Signaltransduktion von Zellen und Myoblastendifferenzierung aufzuheben. Das Konzept, bioresponsive Delivery Systeme für Proteine zu designen, wurde auch auf den anabolen Wachstumsfaktor IGF-I angewendet, wie in Kapitel III beschrieben wird. Zahlreiche Studien zu PEGylierten Proteinen oder Peptiden offenbaren, dass eine erfolgreiche Therapie durch Sicherheits- und Wirksamkeitsprobleme herausgefordert wird, da der Polymeranhang die Eigenschaften des biologischen Wirkstoffs beachtlich verändern und dadurch die klinische Wirksamkeit gefährden kann. Zu diesem Zweck wird ein neuer, vielversprechender Ansatz vorgestellt, mit der Absicht, die vorteilhaften Auswirkungen der PEGylierung auf die Pharmakokinetik zu nutzen, aber auch die pharmakodynamischen Herausforderungen dadurch zu adressieren, dass das Protein bei Eintritt ins Zielgewebe freigesetzt wird. Das wurde durch Einfügen eines PSL zwischen den PEG-Teil und das Protein erreicht. Das lösliche Polymerkonjugat wurde durch ortsspezifische, enzymatische Konjugation von IGF-I an den PSL hergestellt, gefolgt von Verknüpfung mit einem 30k Da-PEG unter Verwendung von kupferfreier Azid-Alkin Cycloaddition (SPAAC). Diese Strategie veranschaulicht das Potenzial der bioorthogonalen Konjugation (wie in Kapitel I beschrieben) zur Erzeugung homogener Protein-Polymer-Konjugate mit reproduzierbarem Ergebnis, aber betont auch die veränderten Proteineigenschaften, die sich aus der dauerhaften Polymerkonjugation ergeben. Verglichen mit dem Wildtyp-IGF-I zeigte das PEGylierte Protein beachtliche Veränderungen der pharmakologischen Eigenschaften, wie verminderte Interaktionen mit Insulin-like growth factor Bindungsproteinen (IGFBPs), eine submaximale proliferative Aktivität und ein verändertes Endozytosemuster. Im Gegensatz dazu wurden die Eigenschaften von IGF-I bei lokaler Spaltung des Konjugates durch MMP-Hochregulation und Freisetzung des natürlichen Wachstumsfaktors vollständig wiederhergestellt. Für eine erfolgreiche Formulierungsentwicklung der Proteine und Konjugate ist eine sorgfältige Auswahl geeigneter Hilfsstoffe für eine sichere und zuverlässige Therapie essenziell. Kapitel IV befasst sich mit einem Aspekt davon, indem die chemische Heterogenität von Hilfsstoffen und damit verbundene Unterschiede in der Leistung hervorgehoben werden. Polysorbat 80 (PS80) ist ein in Proteinformulierungen häufig verwendeter Hilfsstoff, der Aggregation und Oberflächenadsorption verhindern soll. Trotz dieser breiten Anwendung als Standardhilfsstoff birgt die heterogene Zusammensetzung und Performance Risiken, wie eine begünstigte Zersetzung und nachteilige Auswirkungen auf die Proteinstabilität. Auf Basis einer umfassenden Studie mit verschiedenen Chargen diverser Anbieter wurden die PS80 Produkte hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer physikochemischen Eigenschaften charakterisiert, um eine Beurteilung der Hilfsstoffperformance in einer Formulierung zu ermöglichen. Auffällige Abweichungen sowohl zwischen unterschiedlichen Anbietern, also auch zwischen Chargen des gleichen Anbieters konnten verzeichnet werden. Die Korrelation aller Parameter ergab, dass funktionalitätsbezogene Eigenschaften (FRCs) auf Basis der chemischen Zusammensetzung alleine bzw. durch eine Kombination aus chemischen und physikochemischen Eigenschaften zuverlässig prognostiziert werden konnten. Zusammenfassend beschreibt und bewertet diese Dissertation neue Strategien für eine zielgerichtete und kontrollierte Freisetzung von biologischen Wirkstoffen mit der Absicht, dem Ungleichgewicht zwischen anabolen und katabolen Proteinen, welches im Laufe der Alterung und im Zuge muskuloskelettaler Erkrankungen beobachtet wird, entgegenzuwirken. Zwei Wirkstoff-Verabreichungsplattformen wurden entwickelt und in vitro charakterisiert: (i) unter Verwendung antikataboler Peptide, die für eine lokale Applikation auf einem Träger immobilisiert werden, und (ii) unter Verwendung löslicher IGF-I-Polymer Konjugate für die systemische Anwendung. Beide Ansätze wurden mittels bioorthogonaler Kopplungsstrategien, die unter Berücksichtigung von Einschränkungen, Nebenreaktionen und Effizienzaspekten sorgfältig ausgewählt wurden, durchgeführt. Die bioresponsive Freisetzung der aktiven Biomoleküle als Folge einer erhöhten Proteaseaktivität konnte erfolgreich umgesetzt werden. Das therapeutische Potenzial dieser Ansätze wurde anhand mehrerer zellbasierter Wirksamkeitsassays gezeigt. Die Systeme ermöglichen eine zielgerichtete und kontrollierte Freisetzung des Wachstumsfaktors IGF-I und antikataboler Peptide, wobei sie die Sicherheitsbedenken aktueller Wachstumsfaktortherapie bewältigen und somit das Nutzen-Risiko-Profil hochwirksamer Therapeutika positiv beeinflussen. Unter Berücksichtigung der potenziellen Bedenken bezüglich Heterogenität und Nebenprodukten wurde eine umfassende Hilfsstoffcharakterisierung durchgeführt und ein prognostischer Algorithmus für FRCs entwickelt, um die Formulierungsentwicklung zu erleichtern und eine sichere und effiziente Therapie von Anfang bis zum Ende zu garantieren.

A major problem regarding public health is the emergence of antibiotic resistant bacterial strains, especially methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA). This is mainly attributed to the unnecessary overuse of antimicrobial drugs by patients; however, one aspect that is often neglected is their untargeted mechanism of action, affecting not only the infection itself but also commensal bacteria which are often opportunistic pathogens causing many diseases as well. Therefore, our goal was to develop a bioresponsive antibiotic delivery system triggered by virulence factors. The designed system is comprised of a polymer to enhance its pharmacokinetic profile, a peptide cleavable linker, and the antibiotic agent itself. The bacterial protease aureolysin which is expressed by S. aureus during infections would cleave the linker and partially release the antibiotic which would be still attached to a remaining tetrapeptide. These would be cleaved by a group of proteases naturally present in plasma called aminopeptidases, finally releasing the compound. In the first part of this project, we searched for a suitable sequence to serve as a cleavable linker. It should be sensitive towards the target bacterial protease but not be cleaved by any human enzymes to guarantee the specificity of the system. Therefore, we synthesized three peptide sequences via Solid Phase Peptide Synthesis and incubated them with aureolysin as well as with many human matrix Metalloproteases. The analysis and quantification of enzymatic activity was monitored chromatographically (RP-HPLC). The plasminogen originated sequence was chosen since it was not sensitive towards MMPs, but cleaved by aureolysin. In the second part, we tried to incorporate the chosen peptide sequences as crosslinkers in hydrogel formulations. The purpose was to physically incorporate the antibiotic within the hydrogel, which would be released by the cleavage of those sequences and the consequent loosening the hydrogel net. For that purpose we used a commercially available hydrogel kit with a PVA matrix modified with maleimide, which allows a conjugation reaction with thiol functionalized crosslinkers. Three fluorophores were chosen to serve as antibiotic models and a diffusion assay was performed. Only the glomerular structured Green Fluorescent Protein (GFP) presented a low diffusion rate, thus the aureolysin release assays were performed only using this prototype. Assays showed that with a low hydrogel polymer concentration, the fluorophore either quickly diffused into the medium or was not released at all. The physical incorporation of the antibiotic within the hydrogel pores was therefore abolished as a suitable release approach. For a second attempt, we covalently bound a fluorophore to the linker, which was conjugated to the hydrogel matrix. The incubation with aureolysin and subsequent RP-HPLC analysis showed a peak with the same retention time correspondent to the fragment product after cleavage of the free linker. This is a proof that the concept of linking the peptide sequence to the antibiotic is a promising strategy for its bioresponsive release. Within the third part of this study, we analyzed the degradation of the resulted fragment after aureolysin activity and subsequent full release of the antibiotic by human aminopeptidases. We determined the concentration of those enzymes in human plasma and synthesized the fragment by conjugating the tetrapeptide sequence to aminofluorescein via EDC/NHS reaction. By incubating the construct with the lowest aminopeptidase concentration measured in plasma, the fluorophore was completely released within two hours, showing the efficacy of these enzymes as bioresponsive agents. The last part was the construction of the PEGylated linker-antibiotic. For this purpose we chose the tetracycline like antibiotic chelocardin (CHD) as our prototype. The conjugation of the linker- CHD to the polymer was performed by copper free click chemistry. The cleavage rate of the linker by aureolysin was very similar to the one obtained for the free peptide, indicating that the PEGylation does not interfere on the enzymatic activity. However, by trying to increase the loading ratio of chelocardin onto the polymer, we observed a very low cleavage rate for the system, indicating the formation of aggregates by those constructs. The designed system has proved to be a smart strategy for the delivery on demand of antibiotics in which the drug is only released by the presence of S. aureus during their virulent state. / Ein weltweites Problem des Gesundheitswesens ist die Entstehung von antibiotikaresistenten Bakterienstämmen, besonders Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA). Eine wichtige Ursache für Resistenzentwicklungen ist die unüberlegte Verschreibung von Antibiotika; allerdings das breite Wirkspektrum der meisten Substanzen ist ein stets vernachlässigter Aspekt. Dies betrifft nicht nur die Pathogene selbst, sondern auch die bakterielle Mikroflora des Patienten, die opportunistische Pathogene darstellen und in machen Fallen ebenfalls verschiedene Erkrankungen hervorrufen können. Unser Ziel ist die Entwicklung eines bioresponsiven Freisetzungssystems für Antibiotika. Das System besteht aus einem Polymer zur Optimierung der Pharmakokinetik, einem Peptidlinker sowie dem eigentlichen Antibiotikum. Die bakterielle Protease Aureolysin wird von S. aureus exprimiert, sobald sich das Bakterium in seinem virulenten Zustand befindet. Das Enzym schneidet den Linker, wodurch das Antibiotikum zum Teil freigesetzt wird. Da es noch an Aminosäureartefakte gebunden ist, muss es im Anschluss durch eine Aminopeptidase, einer Gruppe von Exoproteasen des humanen Plasmas, abgespalten werden. Die erste Phase des Projektes war die Suche nach einer passenden Peptidsequenz, die als Linker geeignet ist. Diese soll nur durch die Zielprotease und nicht durch andere humane Proteasen geschnitten werden, um die Spezifizität des Systems zu gewährleisten. Es wurden drei Sequenzen ausgewählt und mittels Festphasen-Peptidsynthese hergestellt. Diese wurden mit Aureolysin sowie humanen Matrix-Metalloproteasen (MMP) inkubiert; die Produkte wurden chromatographisch (RP-HPLC) charakterisiert und die enzymatische Aktivität bestimmt. Die von Plasminogen abgeleitete Sequenz wurde von keiner der Matrix-Metalloproteasen geschnitten, wohl aber von Aureolysin. Eine ausführliche Analyse des Aureolysin-Verdaus zeigte, dass der Linker innerhalb weniger Stunden komplett geschnitten wird. In der zweiten Phase wurde die Peptidsequenz als Crosslinker in verschiedene Hydrogelmatrices inkorporiert. Die Strategie war der physikalische Einschluss des Antibiotikums in das Hydrogel und die anschließende Freisetzung durch Spaltung dieser Sequenzen und Lockerung des Hydrogelnetzes auf molekularer Ebene. Hierfür wurde ein kommerzielles Hydrogelkit mit Maleinsäureamid-modifizierter PVA Matrix verwendet, die mit Thiol-funktionalisierten Linkern konjugiert werden können. Drei verschiedene Fluorophore wurden als Modelle für die Diffusionsversuche verwendet. Nur das glomeruläre green fluorescent protein (GFP) besaß eine ausreichend niedrige Diffusionskonstante und wurde deshalb als Prototyp für die weiteren Schneidversuche verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Fluorophor bei niedrigen Matrixkonzentrationen schnell aus den Poren in das umgebende Medium diffundiert, während er bei höheren Konzentrationen nicht freigesetzt wird. Die physikalische Inkorporierung des Antibiotikums wurde aus diesen Gründen verworfen und nicht durchgeführt. Als zweiter Versuch wurde der Fluorophor kovalent an den Linker gekoppelt, welcher im Anschluß an die Matrix konjugiert wurde. Die Inkubation mit Aureolysin und die nachfolgende RP-HPLC-Analyse zeigte einen Peak bei der Retentionszeit entsprechend dem Fragmentprodukt, das durch Inkubation des freien Linkers entsteht. Die kovalente Bindung zwischen der antimikrobiellen Substanz und dem Linker ist eine vielversprechende Strategie für eine bio-responsive Freisetzung. In der dritten Phase des Projektes wurde die Zersetzung des resultierenden Fragments nach Aureolysin-Verdau und die anschließende vollständige Freisetzung des Antibiotikums durch humane Aminopeptidasen untersucht. Die Konzentration an Aminopeptidasen im humanen Plasma wurde bestimmt und die durch Aureolysin entstehende Peptidsequenz an Aminofluorescein mittels EDC/NHS-Reaktion gekoppelt. Die Inkubation des Konstruktes mit der niedrigsten Aminopeptidase-Konzentration, die im Plasma bestimmt werden konnte zeigte, dass der Fluorophor in zwei Stunden vollständig freigesetzt wurde. Die letzte Phase hat sich mit der PEGylierung des Linker-Antibiotikum-Komplexes beschäftigt. Das Tetracyclin-analoge Antibiotikum Chelocardin wurde als Prototyp ausgewählt und am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung des Saarlandes synthetisiert. Die Konjugation des Linker-CHD-Konstruktes an das Polymer wurde mittels kupferfreier Click-Chemie durchgeführt. Der PEGylierte Linker wurde in einer ähnlichen Rate durch Aureolysin geschnitten wie der freie Linker, was beweist, dass das Polymer keinen Einfluss auf die enzymatische Aktivität hat. Allerdings wurde während der Optimierung der Beladung von CHD je Polymermolekül eine sehr niedrige Freisetzung des Antibiotikums beobachtet, was durch Aggregatbildung der Konstrukte erklärt werden kann. Das entwickelte System ist eine interessante Delivery-Strategie für Antibiotika, welche hierdurch nur durch virulente S. aureus-Erreger freigesetzt werden.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2008

Thesis (doctoral)--Universität, Würzburg, 2001.

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei neuartige biodegradierbare Nanopartikel (NP)-Typen definierter Größe auf ihre Eignung als Wirkstofftransporter für die Verwendung in der Photodynamischen Therapie (PDT) untersucht. Die Verwendung biodegradierbarer NP als Wirkstofftransporter in der PDT ist ein vielversprechender neuer Ansatz, der im Rahmen dieser Arbeit erstmalig untersucht wurde. Die in dieser Arbeit untersuchten NP bestehen aus humanem Serumalbumin (HSA), beziehungsweise Polylactid-co-Glycolid (PLGA) und wurden mit den Photosensibilisatoren (PS) Phäophorbid a (Pheo), Meta-Tetra (Hydroxy-Phenyl)- Porphyrin (mTHPP) oder Meta-Tetra (Hydroxy-Phenyl)-Chlorin (mTHPC) beladen. Es wurden die endozytotische Aufnahme, der lysosomale Abbau der NP und die intrazelluläre Freisetzung der PS in Abhängigkeit von der Inkubationszeit in vitro an humanen Krebszellen untersucht. Um die Effizienz der Photosensibilisierung durch die mit PS beladenen NP zu bestimmen, wurden die Phototoxizität und die intrazelluläre Singulettsauerstoffgenerierung bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl HSA- als auch PLGA-NP das Potential besitzen als Wirkstofftransporter in der PDT Verwendung zu finden. Insbesondere mTHPC-beladene NP wirken durch starke intrazelluläre Singulettsauerstoffgenerierung sehr phototoxisch. Die Experimente zeigen, dass die intrazelluläre PS-Konzentration geringeren Einfluss auf die Effizienz der Photosensibilisierung hat als die Freisetzung der PS und deren intrazelluläre Lokalisation. Die Biodegradierbarkeit von HSA und PLGA ermöglicht einen schnellen Abbau. Dadurch kann bereits bei sehr geringen intrazellulären PS-Konzentrationen hohe Phototoxizität erreicht werden. Der Fokus bei der Optimierung sollte einerseits in einer stabilen Verbindung zwischen PS und NP liegen, andererseits in einer effizienten Freisetzung nach der zellulären Aufnahme. Deshalb sind biodegradierbare Polymere sehr vielversprechende Materialien für die Entwicklung von PS-NP-Transportsystemen. / In the present study, two novel biodegradable nanoparticle (NP) types with a defined size were examined for their suitability as drug delivery systems for use in photodynamic therapy (PDT). NP drug transporters already found a successful application in chemotherapy but the use of biodegradable NP in PDT is a new promising challenge. The investigated NP consist of human serum albumin (HSA) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and were loaded with the photosensitizers (PS) pheophorbide a (Pheo), meta-tetra(hydroxy-phenyl)-porphyrin (mTHPP) or meta- tetra(hydroxy-phenyl)-chlorin(mTHPC). The endocytotic intracellular uptake and the time dependent drug release caused by decomposition of the biodegradable PS loaded nanoparticles were studied in vitro on Jurkat cells in suspension. The phototoxicity as well as the intracellular singlet oxygen generation was investigated for different incubation times. It was shown that both, HSA and PLGA NPs are promising carriers for PDT agents regarding uptake and phototoxicity. Especially the mTHPC loaded NPs show a very efficient phototoxicity caused by a very high singlet oxygen generation after the release of the PSs. The experiments show that the overall intracellular PS concentration is of less importance for the efficiency of the photosensitization compared to the amount of intracellular drug release and the intracellular localisation of the PS molecules. The biodegradability of the HSA and PLGA nanoparticles enables a fast intracellular drug release that causes high phototoxicity even for very low intracellular PS concentrations. Thus, the strategy for efficient PS loaded NP carriers is not a maximum loading. The main challenge is to create carriers with highly stable PS NP bonding to prevent any drug release before intracellular uptake combined with the ability of a complete drug release inside the target cells. Thus, biodegradable polymers are very promising materials for the design of NP-PS delivery systems

Die Dissertation beschreibt Arbeiten zur Herstellung neuer Cetrorelixkomplexe, zur Kinetik der dynamischen Liberation, zur Struktur von Aggregaten und Komplexen von Cetrorelix und zur Berechnung von Komplexeigenschaften mit Molecular Modeling. / Presented are results about new complexes of cetrorelix, the kinetics of dynamical liberations, the structure of Cetrorelix aggregates and complexes and the computation of properties of complexes by molecular modeling.

Die Dissertation beschreibt Arbeiten zur Herstellung neuer Cetrorelixkomplexe, zur Kinetik der dynamischen Liberation, zur Struktur von Aggregaten und Komplexen von Cetrorelix und zur Berechnung von Komplexeigenschaften mit Molecular Modeling. / Presented are results about new complexes of cetrorelix, the kinetics of dynamical liberations, the structure of Cetrorelix aggregates and complexes and the computation of properties of complexes by molecular modeling.

In this thesis, several types of scaffolds composed of different materials and designed structures and functions were fabricated by 3D plotting under mild conditions (room temperature and without using any organic solvent). Broad biomaterials including inorganic (such as calcium phosphate cement and mesoporous bioglass), organic (such as alginate and gelatin) and composite materials were prepared into printable pastes to plot as 3D scaffolds for bone tissue engineering. Organic/inorganic biphasic and bipartite structure, core/shell alginate/nano-hydroxyapatite and hollow fiber structure were designed and realized. Scaffolds with multi functions including suitable mechanical properties, sustained drug/protein delivery and in vitro vascularization were achievable. 3D plotting provided great achievements in the field of tissue engineering by preparing advanced scaffolds, as well as by plotting cell/matrix constructs, and even complex tissues and organs.

In this thesis, several types of scaffolds composed of different materials and designed structures and functions were fabricated by 3D plotting under mild conditions (room temperature and without using any organic solvent). Broad biomaterials including inorganic (such as calcium phosphate cement and mesoporous bioglass), organic (such as alginate and gelatin) and composite materials were prepared into printable pastes to plot as 3D scaffolds for bone tissue engineering. Organic/inorganic biphasic and bipartite structure, core/shell alginate/nano-hydroxyapatite and hollow fiber structure were designed and realized. Scaffolds with multi functions including suitable mechanical properties, sustained drug/protein delivery and in vitro vascularization were achievable. 3D plotting provided great achievements in the field of tissue engineering by preparing advanced scaffolds, as well as by plotting cell/matrix constructs, and even complex tissues and organs.