Universiẗat, Diss., 2002--Bayreuth.

In der vorliegenden Arbeit wurden magnetische Kolloide auf der Basis von Eisenoxid-Nanopartikeln hergestellt, die eine erhöhte Verweildauer im Blutstrom aufweisen sollten. Die Hüllmoleküle bestehen aus zwei Teilen: Direkt an den Phosphor gebunden eine hydrophobe Alkylkette aus vier bis zehn CH2-Einheiten, und daran anschließend eine Methoxy-terminierte Polyethylenglykol (PEG)-Kette. Die PEG-Kette sollte sowohl die Hydrophilie der fertigen Partikel als auch den nötigen Schutz gegen Phagozytose gewährleisten. Diese speziellen Phosphonsäuren wurden dann dazu verwendet, Magnetit-Nanopartikel stabil einzuhüllen. / The present dissertation deals with the preparation of magnetic colloids on the basis of iron oxide nanoparticles exhibiting an extended lifetime in the bloodstream. The coating molecules were made up of two parts: A hydrophobic alkyl chain of four to ten CH2 groups, and a methoxy-terminated polyethyleneglycol (PEG) chain. The PEG chain was included to make the particles hydrophilic and to protect them from phagocytosis. These specially designed phosphonic acids were then used to coat magnetite nanoparticles.

Intraperitoneal adhesions are fibrous bands that connect tissues in the peritoneal cavity that are usually separated. These adhesions form as a consequence of trauma, inflammation or surgical interventions and often result in severe consequences such as chronic pain, small bowel obstructions or female infertility. The aim of this thesis was to develop a synthetic barrier device for adhesion prevention made of modified poly(lactide) [PLA]. Solid PLA films (SurgiWrap®) are already successfully in clinical use due to the good biocompatibility and the biodegradability of the material resulting in non-toxic degradation products since lactic acid is naturally part of the metabolic circles of the human body. Considering the brittleness and stiffness of the films, the long degradation time of several months as well as the need for suturing, there is potential for optimization. Through a copolymerization with the hydrophilic poly(ethylene glycol) [PEG], a reduction of the degradation time was intendend. Moreover, the copolymerization should also lead to an improvement of the mechanical properties of the films since PEG acts as plasticizer for PLA. Linear PLA-PEG-PLA triblock copolymers as well as star-shaped PEG-PLA copolymers were synthesized via standard ring opening polymerization to tailor the barrier properties. Besides solid films, solution electrospun meshes from PLA and the synthesized PEG-PLA copolymers were investigated for a potential application as well. Since suturing of a barrier additionally induces adhesion formation, alginate coated membranes were prepared in order to achieve self-adhesiveness. With the intention to reduce infections and consequently inflammation, electrospun meshes and solvent cast films were loaded with the antibacterial drug triclosan and drug release as well as antibacterial efficacy was investigated. Mechanical tests confirmed that through the variation of the PEG content and branching the mechanical properties can be tailored and are in good accordance with the glass transition temperatures [Tg] of the polymers. Consequently, potentially adequate mechanical properties for surgical handling as well as for the performance within the patient’s body were successfully achieved. Degradation studies revealed that the degradation time was significantly shorter for PEG-PLA membranes than for PLA films and with an appropriate PEG content could be adjusted to the intended time frame. Cell adhesion and viability tests confirmed the non-toxicity of the clinically used PLA films as well as of PEG-PLA films and meshes. With a bioadhesion test the benefit of an alginate coated side towards the pure PLA film concerning self-adhesiveness was successfully demonstrated. Moreover, optical evaluations and a T-peel test of different alginate coated PLA films showed that the cohesion between the chemically different layers was distinctly enhanced by the use of an appropriate PEG-PLA mesh as intermediate cohesion promoting layer. In in vitro release studies with triclosan loaded films a higher release was determined for PEG-PLA than for PLA films. In agar diffusion tests a higher and longer inhibition of staphylococcus aureus growth was observed confirming the release results. Moreover, drug loaded meshes (especially drug loaded after electrospinning) showed enhanced and elongated bacterial inhibition in comparison to films. / Intraperitoneale Adhäsionen sind fibröse Bänder, die Gewebe in der Peritonealhöhle miteinander verbinden, die normalerweise voneinander getrennt sind. Diese Adhäsionen entstehen als Folge von Trauma, Entzündung oder chirurgischen Eingriffen und bringen oft schwerwiegende Folgen mit sich wie chronische Schmerzen, Dünndarmobstruktionen oder Unfruchtbarkeit bei Frauen. Ziel dieser Arbeit war es, synthetische Barrieren aus modifiziertem Poly(laktid) [PLA] für die Adhäsionsprävention zu entwickeln. PLA-Filme (SurgiWrap®) werden bereits erfolgreich klinisch eingesetzt aufgrund der guten Biokompatibilität und der Bioabbaubarkeit des Materials mit seinen ungiftigen Abbauprodukten, da Milchsäure natürlicher Bestandteil der metabolischen Zyklen im menschlichen Körper ist. Betrachtet man jedoch die Sprödigkeit und Steifigkeit der Filme, die lange Abbauzeit von mehreren Monaten sowie die Notwendigkeit des Annähens, erkennt man noch Verbesserungspotential. Durch eine Copolymerisation mit hydrophilem Poly(ethylen glykol) [PEG] wurde eine Reduktion der Abbauzeit angestrebt. Zusätzlich sollte die Copolymerisation zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Filme führen, da PEG als Weichmacher von PLA dient. Lineare PLA-PEG-PLA-Triblock-Copolymere sowie sternförmige PEG-PLA-Copolymere wurden über eine Standard-Ringöffnungspolymerisation synthetisiert um die Barriereeigenschaften maßzuschneidern. Neben massiven Filmen wurden aus der Lösung elektrogesponnene Vliese aus PLA und den synthetisierten PEG-PLA-Copolymeren für eine potentielle Anwendung untersucht. Da das Annähen einer Barriere zusätzlich Adhäsionsbildung hervorruft, wurden mit Alginat beschichtete Membranen hergestellt um eine Selbsthaftung zu erreichen. Mit der Intention, Infektionen und damit Entzündungen zu reduzieren, wurden elektrogesponnene Vliese und aus der Lösung gegossene Filme mit dem antibakteriellen Arzneistoff Triclosan beladen und die Freisetzung sowie die antibakterielle Wirksamkeit untersucht. Mechanische Tests bestätigten, dass mit der Variation von PEG-Gehalt und Verzweigung die mechanischen Eigenschaften zugeschnitten werden können und gut mit den Glasübergangstemperaturen der Polymere in Einklang stehen. Folglich konnten potentiell passende mechanische Eigenschaften für die chirurgische Handhabung sowie für das Verhalten im Körper des Patienten erfolgreich erreicht werden. Abbaustudien zeigten, dass die Abbauzeit von PEG-PLA-Membranen signifikant kürzer war als von PLA-Filmen und mit geeignetem PEG-Gehalt erfolgreich auf den erzielten Zeitraum hin angepasst werden konnte. Zelladhäsion und Zellviabilitätstests bestätigten die Ungiftigkeit der klinisch eingesetzten PLA-Filme sowie der PEG-PLA-Filme und –Vliese. Mit einem Bioadhäsionstest konnte der Nutzen einer Alginatbeschichtung gegenüber einem reinen PLA-Film bezüglich einer Selbsthaftung erfolgreich gezeigt werden. Außerdem ergaben visuelle Begutachtungen und ein T-Peeltest von verschiedenen mit Alginat beschichteten PLA-Filmen, dass die Kohäsion zwischen den chemisch unterschiedlichen Schichten durch den Einsatz eines geeigneten PEG-PLA-Vlieses als kohäsionsfördernde Zwischenschicht deutlich verstärkt wurde. In in vitro Freisetzungsstudien mit Triclosan-beladenen Filmen wurde eine höhere Freisetzung für PEG-PLA- als für PLA-Filme bestimmt. In Agardiffusionstests wurde eine höhere und längere Wachstumshemmung von Staphylococcus aureus beobachtet, was die Freisetzungsergebnisse bestätigt. Weiterhin zeigten Arzneistoff-beladene Vliese (insbesondere mit Arzneistoffbeladung nach dem Elektrospinning) eine verstärkte und verlängerte bakterielle Inhibition im Vergleich zu Filmen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2008

Universiẗat, Diss., 2004--Tübingen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Darmstadt.

Techn. Hochsch., Diss., 2000--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2003--Kiel.

Serum half-life elongation as well as the immobilization of small proteins like cytokines is still one of the key challenges for biologics. This accounts also for cytokines, which often have a molecular weight between 5 and 40 kDa and are therefore prone to elimination by renal filtration and sinusoidal lining cells. To solve this problem biologics are often conjugated to poly(ethylene glycol) (PEG), which is the gold standard for the so called PEGylation. PEG is a synthetic, non-biodegradable polymer for increasing the hydrodynamic radius of the conjugated protein to modulate their pharmacokinetic performance and prolong their therapeutic outcome. Though the benefits of PEGylation are significant, they also come with a prize, which is a loss in bioactivity due to steric hindrance and most often the usage of heterogeneous bioconjugation chemistries. While PEG is a safe excipient in most cases, an increasing number of PEG related side-effects, such as immunological responses like hypersensitivity and accelerated blood clearance upon repetitive exposure occur, which highlights the need for PEG alternative polymers, that can replace PEG in such cases. Another promising method to significantly prolong the residence time of biologics is to immobilize them at a desired location. To achieve this, the transglutaminase (TG) Factor XIIIa (FXIIIa), which is an important human enzyme during blood coagulation can be used. FXIIIa can recognize specific peptide sequences that contain a lysine as substrates and link them covalently to another peptide sequence, that contains a glutamine, forming an isopeptide bond. This mechanism can be used to link modified proteins, which have a N- or C-terminal incorporated signal peptide by mutation, to the extracellular matrix (ECM) of tissues. Additionally, both above-described methods can be combined. By artificially introducing a TG recognition sequence, it is possible to attach an azide group containing peptide site-specifically to the TG, recognition sequence. This allows the creation of a site-selective reactive site at the proteins N- or C-terminus, which can then be targeted by cyclooctyne functionalized polymers, just like amber codon functionalized proteins. This thesis has focused on the two cytokines human Interferon-α2a (IFN-α2a) and human, as well as murine Interleukin-4 (IL-4) as model proteins to investigate the above-described challenges. IFN-α2a has been chosen as a model protein because it is an approved drug since 1986 in systemic applications against some viral infections, as well as several types of cancer. Furthermore, IFN-α2 is also approved in three PEGylated forms, which have different molecular weights and use different conjugation techniques for polymer attachment. This turns it into an ideal candidate to compare new polymers against the gold standard PEG. Interleukin-4 (IL-4) has been chosen as the second model protein due to its similar size and biopotency. This allows to compare found trends from IFN-α2a with another bioconjugate platform and distinguish between IFN-α2a specific, or general trends. Furthermore, IL-4 is a promising candidate for clinical applications as it is a potent anti-inflammatory protein, which polarizes macrophages from the pro-inflammatory M1 state into the anti-inflammatory M2 state. / Die Verlängerung der Serum-Halbwertszeit sowie die Immobilisierung kleiner Proteine wie Zytokine ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen für Biologika. Dies gilt auch für Zytokine, die häufig ein Molekulargewicht zwischen 5 und 40 kDa haben und daher leicht durch die Nierenfiltration und sinusoidale Endothelzellen eliminiert werden können. Um dieses Problem zu lösen, werden Biologika häufig an Poly(ethylenglykol) (PEG) konjugiert, das den Goldstandard für die so genannte PEGylierung darstellt. PEG ist ein synthetisches, biologisch nicht abbaubares Polymer, das den hydrodynamischen Radius des konjugierten Proteins vergrößert, um die pharmakokinetische Leistung zu modulieren und die therapeutische Wirkung zu verlängern. Obwohl die Vorteile der PEGylierung beträchtlich sind, haben sie auch ihren Preis, nämlich einen Verlust an Bioaktivität aufgrund sterischer Hindernisse und meist die Verwendung heterogener Biokonjugationstechniken. Obwohl PEG in den meisten Fällen ein sicherer Hilfsstoff ist, treten immer mehr PEG-bedingte Nebenwirkungen auf, wie z. B. immunologische Reaktionen wie Überempfindlichkeit und beschleunigter Abbau bei wiederholter Exposition, was den Bedarf an alternativen PEG-Polymeren unterstreicht, die PEG in solchen Fällen ersetzen können. Eine weitere vielversprechende Methode, um die Verweildauer von Biologika deutlich zu verlängern, besteht darin, sie an einem gewünschten Ort zu immobilisieren. Dazu kann die Transglutaminase (TG) Faktor XIIIa (FXIIIa) verwendet werden, die ein wichtiges menschliches Enzym bei der Blutgerinnung ist. FXIIIa kann bestimmte Peptidsequenzen, die ein Lysin enthalten, als Substrate erkennen und sie kovalent an eine andere Peptidsequenz, die ein Glutamin enthält, binden, wobei eine Isopeptidbindung entsteht. Dieser Mechanismus kann benutzt werden um modifizierte Proteine, welche durch Mutation ein N- oder C-terminal eingebautes Signalpeptid besitzen, mit der extrazellularen Gewebematrix (ECM) zu verknüpfen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die beiden Zytokine humanes Interferon-α2a (IFN-α2a) und humanes sowie murines Interleukin-4 (IL-4) als Modellproteine, um die oben beschriebenen Herausforderungen zu untersuchen. IFN-α2a wurde als Modellprotein ausgewählt, weil es seit 1986 ein zugelassenes Medikament für die systemische Anwendung gegen einige Virusinfektionen und verschiedene Krebsarten ist. Darüber hinaus ist IFN-α2 auch in drei PEGylierten Formen zugelassen, die unterschiedliche Molekulargewichte haben und verschiedene Konjugationstechniken für die Polymeranbindung verwenden. Dies macht es zu einem idealen Kandidaten für den Vergleich neuer Polymere mit dem Goldstandard PEG. Interleukin-4 (IL-4) wurde als zweites Modellprotein gewählt, da es eine ähnliche Größe und Biopotenz aufweist. Dies ermöglicht es, die von IFN-α2a gefundenen Trends mit einer anderen Biokonjugat-Plattform zu vergleichen und zwischen IFN-α2a-spezifischen und allgemeinen Trends zu unterscheiden. Darüber hinaus ist IL-4 ein vielversprechender Kandidat für klinische Anwendungen, da es ein starkes entzündungshemmendes Protein ist, das Makrophagen vom entzündungsfördernden M1-Zustand in den entzündungshemmenden M2-Zustand polarisiert.