Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese monodisperser, multifunktionaler Poly(amidoamine) (PAAs). Die Klasse der PAAs ist besonders interessant für eine Anwendung im Bereich der Biomedizin, da sie meist nicht toxisch ist, eine sehr geringe Immunogenizität zeigt und eine erhöhte Zellmembranpermeabilität besitzt. Allerdings ist der Einsatz linearer PAAs bisher limitiert, da ihre Synthese nur den Zugang von hoch-polydispersen Systemen mit einer streng alternierenden oder statistischen Verteilung von Funktionalitäten erlaubt. Es ist daher von großem Interesse diese Polymerklasse durch die Möglichkeit eines sequenzdefinierten Aufbaus und der Integration von neuen Funktionalitäten zu verbessern. Um dies zu ermöglichen, wurden, vergleichbar mit der etablierten Festphasensynthese von Peptiden, schrittweise funktionale Disäure- und Diamin-Bausteine an ein polymeres Träger-Harz addiert. Der sequenzielle Aufbau ermöglicht die Synthese monodisperser PAAs und die Kontrolle über die Monomersequenz. Die Wahl der Monomer-Bausteine und ihrer Funktionalitäten kann dabei für jede Addition neu getroffen werden und entscheidet so über die Sequenz der Funktionalitäten im Polymerrückgrat. Die verwendete Chemie entspricht dabei der Standardpeptidchemie, so dass mit Hilfe eines Peptidsynthese-Automaten die Synthese vollständig automatisiert werden konnte. Die Verwendung spezieller Trägerharze, die bereits mit einem synthetischen Polymerblock wie PEO oder auch mit einem Peptid vorbeladen waren, erlaubt die direkte Synthese von PEO- und Peptid-PAA Blockcopolymeren. Da die hier dargestellten PAAs später auf ihre Eignung als multivalente Polykationen in der Gentherapie getestet werden sollten, wurden zunächst Bausteine gewählt, die den Einbau verschiedener Aminfunktionalitäten ermöglichen. Die Bausteine müssen dabei so gewählt sein, dass sie kompatibel sind mit der Chemie des Peptidsynthesizers und eine quantitative Addition ohne Neben- oder Abbruchreaktionen garantieren. Darüber hinaus ist der Einbau von Peptidsequenzen und Disulfid-Einheiten in die PAA-Kette möglich, die z. B. für einen selektiven Abbau des Polymers im Organismus genutzt werden können. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten PAA-Systeme großes Potenzial als nicht-virale Vektoren für die Gentransfektion bieten. Sie sind nicht toxisch und zeigen Zellaufnahme-Effizienzen von bis zu 77%. Die Gentransfereffizienz ist im Vergleich zu etablierten Polymer-Vektoren zwar noch sehr gering, aber die bisherigen Versuche zeigen bereits eine mögliche Ursache, nämlich die schlechte Freisetzung des Genmaterials innerhalb der Zelle. Eine Lösung dieses Problems bietet jedoch die weitere Modifizierung der PAA-Systeme durch den Einbau von Sollbruchstellen. Diese Sollbruchstellen ermöglichen einen programmierten Abbau des Polymers innerhalb der Zelle und damit sollte die Freisetzung des Genmaterials vom Träger deutlich erleichtert werden. Mögliche Bruchstellen sind z. B. enzymatisch gezielt spaltbare Peptideinheiten oder Disulfid-Einheiten, wie sie bereits als Bausteine für die PAA-Synthese vorgestellt wurden (vergl. Kapitel 4.4). Da nur innerhalb der Zelle ein reduzierendes elektrochemisches Potential besteht, werden z. B. Disulfid-Einheiten auch nur dort gespalten und bieten außerhalb der Zelle ausreichende Stabilität zum Erhalt der Polyplexstruktur. Neben einer Anwendung in der Gentherapie bieten die hier vorgestellten PAA-Systeme den Vorteil einer systematischen Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Polyplexe. Es wurden verschiedene Zusammenhänge zwischen der chemischen Struktur der PAA-Segmente und der Art und Stärke der DNS-Komprimierung aufgezeigt. Die Komprimierungsstärke wiederum zeigte deutlichen Einfluss auf die Internalisierungsrate und damit auch Transfektionseffizienz. Darüber hinaus zeigte sich ein drastischer Einfluss des PEO-Blocks auf die Stabilisierung der Polyplexe sowie deren intrazelluläre Freisetzung bei Zusatz von Chloroquin. Dennoch bleiben aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge noch viele Mechanismen der Transfektion unverstanden, und es muss Aufgabe folgender Arbeiten sein, das Potential der hier eingeführten monodispersen PAA-Systeme weiter auszuloten. So wäre z. B. eine Korrelation der Kettenlänge mit den Parametern der Polyplexbildung, der Zellaufnahme und Transfektionseffizienz von großem Interesse. Darüber hinaus bietet der Einbau von Sollbruchstellen wie kurzen Peptidsequenzen oder den hier bereits eingeführten Disulfid-Einheiten neue Möglichkeiten der gezielten Freisetzung und des programmierten Abbaus, die näher untersucht werden müssen. Neben der Anwendung im Bereich der Gentransfektion sind außerdem andere Gebiete für den Einsatz von monodispersen multifunktionalen PAAs denkbar, da diese kontrollierbare und einstellbare Wechselwirkungen ermöglichen. / Recently, linear poly(amidoamine)s (PAAs) have received considerable attention due to their excellent biocompatibility and ease of synthesis.[1] PAAs are multifunctional polymers, which often exhibit low inherent immunogenicity and reduced cyto- as well as hemotoxicity in contrast to established, cationic polymers such as poly(ethylene imines) (PEI) or poly(L-lysines) (PLL).[2] This makes PAAs highly suitable for biomedical and pharmacological applications in the fields of drug and gene delivery.[1,2] However, the full potential of these polymers cannot be accessed since the synthesis proceeds via an uncontrolled polyaddition reaction leading to ill-defined products with Mw/Mn ≥ 2. This does not only make rational design of polymer properties and the precise positioning of functionalities along the polymer backbone difficult, furthermore product registration becomes complicated because legislation requires increasingly more defined products. Here we present a novel synthesis route towards multifunctional, sequence-defined polyamides.[3] A fully automated, solid-phase polymer synthesis was developed and utilized to obtain linear PAA segments. These exhibit no molecular weight or chemical distributions due to their monodispersity (Mw/Mn = 1) and their controlled monomer sequence. The compatibility of the PAA-synthesis with the standard Fmoc/tBu solid-phase supported peptide synthesis has been preserved, making this route a versatile approach to peptide-PAA (Pep-PAA) and poly(ethylene oxide)-PAA (PEO-PAA) conjugates. Several Pep-PAA and PEO-PAA conjugates were synthesized, exhibiting PAA segments with different cationic functionalities. These conjugates were analyzed concerning their cytotoxicity showing very promising results. Additionally their potential to complex plasmid-DNA and to form so-called polyplexes for non-viral gene delivery was tested. A strong relationship between the monomer sequence and the polyplex structure was observed, depending on the balance and total amount of tertiary, secondary and primary amine functionalities within the PAA-segment. Moreover the monomer sequence has a strong influence on the biological properties such as the cell-internalization of polyplexes as well as the transfection activity. This clear correlation between the chemical assembly and the resulting biological properties may help to further the understanding of the mechanisms of gene delivery by polymeric carriers and hence to promote the rational design of better suited systems. Even if the transfection activity for the PAA-polpylexes might still be not comparable to the established “gold standard” PEI, their low level of toxicity and the possibility to improve the system by adjusting the monomer sequence shows great potential as carrier systems in drug or gene delivery.

Natriumseltenerdfluoride weisen optische und magnetische Eigenschaften auf, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. als Biomarker in bildgebenden Verfahren oder als Lasermaterial sehr interessant machen. Nanokristalline Partikel dieses Materials wurden angesichts ihrer interessanten optischen Eigenschaften in den letzten Jahren sehr intensiv untersucht. Dabei ist die Herstellung monodisperser Nanopartikel ein zentraler Punkt der aktuellen Forschung, da gerade der Einsatz als Biomarker besonders einheitliche Partikel erfordert. Mehrere Synthesemethoden beschreiben die Bildung monodisperser Partikel, jedoch konnte die Ursache der besonders engen Partikelgrößenverteilung in diesen Fällen nicht aufgeklärt werden. Basierend auf einer Synthesemethode, bei der kleine aufgereinigte, d.h. monomerfreie kubische und hexagonale Partikel (Opferpartikel) als Edukt eingesetzt werden, wurde die Bildung monodisperser Nanopartikel von NaSmF4, NaEuF4, NaGdF4 und NaTbF4 untersucht. Dafür wurden kolloidale Lösungen der Opferpartikel auf 320°C erhitzt und die zeitliche Änderung der Partikelgröße und des Molenbruchs mittels Röntgenpulverdiffraktometrie nachverfolgt. Anhand der TEM-Aufnahmen konnte eine relative Fokussierung der Partikelgrößenverteilung während der Reaktion binärer Gemische aus kleinen kubischen und hexagonalen Partikeln beobachtet werden. Da kein weiteres Monomer der kolloidalen Lösung der Opferpartikel zugegeben wurde, war ein Wachstum der Partikel nur durch Ostwald-Reifung möglich. Entsprechend zeigten die Emissionsspektren der Nanopartikel, hergestellt aus einem Gemisch kleiner NaGdF4- und NaEuF4-Partikel, eine Durchmischung der Seltenerdionen, wie ebenfalls für Produktpartikel, die aus dotierten NaGdF4:Eu3+-Partikeln hergestellt wurden, beobachtet. Die Bildung monodisperser Partikel durch Ostwald-Reifung erfordert eine Monomerübersättigung. Die Experimente weisen daraufhin, dass die höhere Löslichkeit der thermodynamisch weniger stabilen kubischen α-Phase zu einer vergleichsweise hohen Monomerkonzentration während der Ostwald-Reifung führt. Diese Höhe der Monomerkonzentration stellt für die Partikel (Keime) der stabileren β-Phase eine Übersättigung an Monomeren dar. Der Löslichkeitsunterschied zwischen der α- und β-Phase bildet somit den Ursprung für die Bildung nahezu monodisperser NaSEF4-Nanopartikel.