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Die rasant fortschreitende Digitalisierung in allen Bereichen des täglichen Lebens erzeugt einen immensen Bedarf an Mikrochips. Um diese Mikrochips zu erzeugen, durchlaufen Wafer eine Vielzahl an ressourcenaufwändigen Prozessschritten. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze der reversiblen Immobilisierung von Biopolymeren verfolgt, welche als Grundlage für eine alternative Herstellung von Mikrochips fungieren könnten. Zum einen sollte die reversible Immobilisierung von Polyplexen auf Basis von 6HB DNA-Origami und kationischen Polymethacrylaten bzw. Poly(2-oxazolin)en auf strukturierten PDMAEMA-Bürsten nach Nawroth et al.[1],[2] realisiert werden. Zum anderen war die reversible Immobilisierung von Mikrotubuli nach Ionov et al.[3] unter Verwendung eines grafting-from Systems Ziel dieser Arbeit. Für die Immobilisierung von Polyplexen auf Polymerbürsten wurden die Polymere so gestaltet, dass sie mehrere Funktionen erfüllen können. Die Copolymere verfügten über einen kationischen Bereich mit 20 Wiederholeinheiten, welcher zur Anbindung an die 6HB diente, einen hydrophilen Spacer sowie mehrere Funktionalisierungsstellen. Das zuerst untersuchte methacrylische System auf Basis von HEMA stellte sich für den hier vorgesehenen Verwendungszweck als ungeeignet heraus. Für das Poly(2-oxazolin)-System wurden die nach Cesana et al.[4] und Hartlieb et al.[5] synthetisierten aminfunktionalisierten Monomere AmProOx, AmBuOx, AmPentOx und AmDecOx, sowie das nach He et al.[6] synthetisierte MAMeOx verwendet. Die Synthese der verwendeten Monomere konnte optimiert bzw. AmProOx und AmDecOx im Zuge dieser Arbeit erstmalig synthetisiert werden. AmProOx, AmBuOx und AmPentOx konnten mittels LCROP erstmalig in dieser Arbeit mit Benzyltosylat direkt initiiert und homopolymerisiert werden. Diese AmOx-Derivate erlauben als Blockcopolymer mit MeOx eine effektive und gut kontrollierbare Polyplexbildung mit 6HB. Dies wurde mittels GEP und AFM verifiziert. Es zeigte sich, dass MAMeOx ungeeignet war, da es keinen Polyplex mit 6HB bildete. Als mögliche Ursachen sind der zu geringe Abstand zwischen den Aminen in der Seitenkette sowie der zu geringe Abstand zwischen dem Amin in der Seitenkette und dem Rückgrat zu nennen. Die AmOx konnten in einem Triblockcopolymer zusammen mit MeOx bzw. EtOx und PynOx copolymerisiert werden. Über den PynOx-Block ist eine Funktionalisierung mittels Click Chemie möglich.[7] Es konnte gezeigt werden, dass die Polyplexe in ihrer Peripherie vollumfänglich durch die Polymere zusätzlich funktionalisiert werden können. So wurden Fluoreszenzfarbstoffe ebenso wie CRP Initiatoren eingeführt. Die angeschlossene Pfropfungspolymerisation auf Basis der CuCRP zeigte, im Vergleich zur Literatur,8 einen bis zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit unbekannten Zuwachs an Polymerhülle von bis zu 70 nm (240%) innerhalb von 15 min. Eine Immobilisierung der 6HB-POx Polyplexe nach Nawroth et al.[1],[2] auf PDMAEMA-Bürsten zeigte sich als nicht erfolgreich. Es konnte auf den nanostrukturierten PDMAEMA-Bürsten keine Abscheidung der Polyplexe beobachtet werden. In Zukunft könnten die entwickelten Polyplexe durch eine Funktionalisierung der PynOx Einheiten mit Metallisierungskeimen als Nanodrahttemplate verwendet werden. Außerdem ist die Nutzung der POx-DNA-Origami- Polyplexe als formstabile Wirkstofftransportsysteme denkbar, ebenso wie die Verwendung der kationischen POx als Ersatz für Polyethylenimin (PEI)[9]–[11] in der Gentherapie. Für die Immobilisierung von Mikrotubuli Gleit-Assays mit gepfropften PNIPAM-Bürsten auf Grundlage der Publikation von Ionov et al.[3] wurde erstmalig die SI-CuCRP mit PNIPAM auf Gold untersucht. Hierfür wurde zuerst eine geeignete Initiator-SAM ermittelt, wobei die Wahl auf BiB UD-SH fiel, welche eine Schichtdicke von ca. 1,2 nm bei einem Wasserkontaktwinkel von ca. 72° aufwies. Um die ideale PNIPAM Schichtdicke für die Immobilisierung zu ermitteln, wurden mehrere Gradienten mit unterschiedlichen Schichtdicken hergestellt. Als ideale Schichtdicke erwies sich eine Höhe von 10 bis 20 nm PNIPAM im kollabierten Zustand. Die generierten PNIPAM Schichten auf Gold zeigten in den Gleit-Assays ein effektives Verhalten bezüglich der Immobilisierung der Mikrotubuli. Dies zeigte sich dadurch, dass im gequollenen Zustand unterhalb der LCST der PNIPAM-Bürsten die Mikrotubuli von der Oberfläche gelöst wurden. Oberhalb der LCST konnten sich die Mikrotubuli frei auf der Oberfläche bewegen. Gleiches konnte auf im Anschluss präparierten UV-strukturierten Proben nachvollzogen werden. Die Mikrotubuli waren nicht in der Lage, sich unterhalb der LCST auf den PNIPAM-Strukturen zu bewegen, jedoch auf Bereichen ohne PNIPAM. Oberhalb der LCST war es den Mikrotubuli wieder möglich, sich frei zu bewegen. Das entwickelte System für die reversible Immobilisierung von Mikrotubuli könnte im nächsten Schritt auf die von Nicolau et al.[12] entwickelten Arrays übertragen werden. [1] Nawroth, J. F.; Neisser, C.; Erbe, A.; Jordan, R. Nanoscale 2016, 8 (14), 7513–7522. [2] Nawroth, J. F. Synthese nanostrukturierter Polymerbürsten zur reversiblen Immobilisierung von DNA Origami, Dissertation, TU Dresden, 2017. [3] Ionov, L.; Stamm, M.; Diez, S. Nano Lett. 2006, 6 (9), 1982–1987. [4] Cesana, S.; Auernheimer, J.; Jordan, R.; Kessler, H.; Nuyken, O. Macromol. Chem. Phys. 2006, 207 (2), 183–192. [5] Hartlieb, M.; Pretzel, D.; Kempe, K.; Fritzsche, C.; Paulus, R. M.; Gottschaldt, M.; Schubert, U. S. Soft Matter 2013, 9 (18), 4693–4704. [6] He, Z.; Miao, L.; Jordan, R.; S-Manickam, D.; Luxenhofer, R.; Kabanov, A. V. Macromol. Biosci. 2015, 15 (7), 1004–1020. [7] Luxenhofer, R.; Jordan, R. Macromolecules 2006, 39 (10), 3509–3516. [8] Tokura, Y.; Jiang, Y.; Welle, A.; Stenzel, M. H.; Krzemien, K. M.; Michaelis, J.; Berger, R.; Barner-Kowollik, C.; Wu, Y.; Weil, T. Angew. Chemie - Int. Ed. 2016, 55 (19), 5692–5697. 9Boussif, O.; LezoualC’H, F.; Zanta, M. A.; Mergny, M. D.; Scherman, D.; Demeneix, B.; Behr, J. P. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1995, 92 (16), 7297–7301. [10] Horbinski, C.; Stachowiak, M. K.; Higgins, D.; Finnegan, S. G. BMC Neurosci. 2001, 2. [11] Dodds, E.; Piper, T. A.; Murphy, S. J.; Dickson, G. J. Neurochem. 1999, 72 (5), 2105–2112. [12] Nicolau, D. V; Lard, M.; Korten, T.; van Delft, F. C. M. J. M.; Persson, M.; Bengtsson, E.; Månsson, A.; Diez, S.; Linke, H.; Nicolau, D. V. Proc. Natl. Acad. Sci. 2016, 113 (10), 2591–2596.:Inhaltsverzeichnis Danksagung I Abkürzungsverzeichnis III 1. Einleitung 1 2. Grundlagen 3 2.1. DNA-Origami 3 2.2. Mikrotubuli als Nanoroboter 9 2.3. Poly(2-oxazolin)e 14 2.3.1. 2-Substituierte 2-Oxazoline 14 2.3.2. Lebende kationische ringöffnende Polymerisation 15 2.4. Oberflächenmodifikation mit Polymerbürsten 18 2.4.1. Selbstorganisierende Monoschichten 18 2.4.2. Polymerbürsten 19 2.4.3. Pfropfungspolymerisatonsarten 22 2.4.5. Thermoresponsive Polymerbürsten 27 2.5. Rasterkraftmikroskopie 29 3. Motivation 31 4. Ergebnisse und Diskussion 33 4.1. Kationische Bürsten auf Polymethacrylatbasis 33 4.1.1. Synthese der kationischen Copolymere 34 4.1.2. Funktionalisierung mit BiBB 38 4.1.3. Pfropfungspolymerisation 40 4.1.4. Polyplexbildung mit kationischen Polymethacrylaten 43 4.2. Synthese von 2-Oxazolinen mit Aminofunktionalität 45 4.3. Kationische Poly(2-oxazolin)e zur DNA-Origami-Komplexierung 50 4.3.1. Kinetik der Homopolymerisation der AmOx-Monomere 50 4.3.2. Erprobung der Click-Reaktion und der Pfropfung 53 4.3.3. Poly(2-oxazolin)e mit Aminfunktionalität zur Stabilisierung von DNA-Origami 59 4.3.4. Poly(2-oxazolin)e mit BiB-Typ Endfunktionalisierung 65 4.3.5. Kationische Poly(2-oxazolin)e für die Funktionalisierung von Polyplexen 69 4.3.6. Pfropfungspolymerisation auf immobilisierten Polyplexen 72 4.3.7. Pfropfungspolymerisation auf DNA-Origami in Lösung 74 4.3.8. Polyplex-gestütztes, gerichtetes Assemblieren von DNA-Origami 77 4.4. Reversible Immobilisierung von Mikrotubuli durch Polymerbürsten 81 4.4.1. Oberflächenmodifizierung 81 4.4.2. Mikrotubuli-Gleit-Assays auf PNIPAM-Gradienten 84 4.4.3. Mikrotubuli-Gleit-Assays auf strukturierten PNIPAM-Bürsten 89 5. Zusammenfassung und Ausblick 92 6. Experimentalteil 96 6.1. Geräte 96 6.2. Verbrauchsgüter 99 6.2.1. Chemikalien 99 6.2.2. 6-Helixbündel 6HB 99 6.2.3. Wafer 99 6.3. Synthese der Initiatoren 100 6.3.1. Benzyltosylat BnOTs 100 7.3.2. 2-Azidoethyl-2-bromoisobutyrat 100 6.4. Synthese der Monomere 103 6.4.1. Allgemeine Synthesevorschrift der AmOx Monomere 103 6.4.2. 2-(N-Methyl)aminomethyl-2-oxazolin MAMeOx 106 6.5. Polymersynthese 108 6.5.2. Homopolymerisation der AmOx Monomere 113 6.5.3. P(MeOx-grad-PynOx) P1 115 6.5.4. P(MAMeOx-co-MeOx-grad-PynOx) P2Boc 115 6.5.5. Synthese der P(AmOx-co-MeOx) 116 6.5.6. Allgemeine Synthesevorschrift der LCROP mit BiB-OH Terminierung 118 6.5.7. Allgemeine Synthesevorschrift der CuCRP mit einem POx-Makroinitiator 122 6.5.8. P(AmProOx-co-MeOx-grad-PynOx) P6Boc 126 6.5.10. P(AmPentOx-co-EtOx-grad-PynOx) P8Boc 128 6.6. Polymeranaloge Funktionalisierung 129 6.6.1. Allgemeine Bedingung der Funktionalisierung der HEMA-Gruppen mit BiBB 129 6.6.2. Pfropfungspolymerisation an PMETAC10-BiB mit HEMA 132 6.6.3. Allgemeine Vorschrift der Abspaltung der Boc-Schutzgruppe 133 6.6.4. Allgemeine Bedingungen der Huisgen 1,3-dipolaren kupferkatalysierten Azid-Alkin-Cycloaddition 137 6.6.5. Pfropfungspolymerisation an P1-BiB 141 6.6.6. Pfropfungspolymerisation an P2Boc-BiB 142 6.7. DNA-Origami-Polyplexe 143 6.7.1. Polyplexbildung 143 6.7.2. Präparation für AFM-Messung 143 6.7.3. Oberflächenbasierte Pfropfungspolymerisation 144 6.7.4. Lösungsbasierte Pfropfungspolymerisation 144 6.7.5. Polyplexabscheidung auf nanostrukturierten PDMAEMA Bürsten 144 6.8. Oberflächenmodifikation 145 6.8.1. Präparation der SiO2-Wafer mit PF-SAM 145 6.8.2. Selbst-initiierende Photopfropfung und Photopolymerisation SIPGP 145 6.8.3. Präparation Au-Wafer mit Thiol-SAM 145 6.8.4. UV-Lithografie 146 6.8.5. SI-CuCRP 146 6.9. Gleit-Assays 147 7. Quellen 149

Gene therapy provides an opportunity to ameliorate several genetic disorders and treat numerous diseases by using nucleic acid-based materials to modulate gene activity. However, the greatest challenge for successful gene therapy applications remains delivery. Two general approaches are currently under investigation to improve gene delivery efficiencies. The first is by encapsulating therapeutic genes into modified viruses that are effective at transfecting cells but that have also caused serious side effects during clinical evaluations in 1999 and 2003. In contrast, non-viral gene therapy provides the safety of conventional pharmaceutical products, but possesses inadequate transfection efficiencies for clinical use. Successful non-viral gene delivery systems require evasion of the reticuloendothelial system (RES) while in circulation, a targeting ligand for efficient cellular uptake, and perhaps several additional components for efficient cellular disposition once the carrier has been internalized. Engineering sophisticated gene delivery systems requires modular designs that are well characterized and optimized to circumvent each limiting barrier associated with gene delivery. The following thesis is focused on developing stabilized DNA polyplexes for in vivo applications and coupling their administration with current physical methods of non-viral gene delivery. The aim behind this approach is to systematically prepare gene carriers and evaluate their ability to maintain DNA transfection competent in order to determine which bioconjugate is the most successful for ultimately creating gene carriers that do not require physical interventions for gene expression. The non-viral gene delivery systems presented in the thesis are based on PEGylated polyacridine peptides that bind to DNA predominantly by intercalation rather than by ionic interactions with DNA. The initial experimental chapters deal with the discovery of these novel DNA polyplexes, and the latter chapters focus on the optimization of their design for targeted in vivo gene delivery. The results demonstrate that PEGylated polyacridine DNA polyplexes possess improved compatibility for in vivo administration and that their flexible design is beneficial for preparing multi-component gene delivery systems.

Gene therapy is an approach for the treatment of acquired cancers, infectious disease, degenerative disease, and inherited genetic indications. Developments in the fields of immunotherapies and CRISPR/Cas9 genome editing are revitalizing the efforts to move gene therapy to the forefront of modern medicine. However, slow progress and poor clinical outcomes have plagued the field due to regulatory and safety concerns associated with the flagship delivery vector, the recombinant virus. Immunogenicity and poor transduction in certain cell types severely limits the utility of viruses as a delivery agent of nucleic acids. As a result, significant efforts are being made to develop non-viral delivery systems that perform mechanistically similarly to viral delivery but lack immunogenic factors. Though safer, existing agents lack the efficacy inherent in the natural design of viral vectors. Clinical relevance of non-viral vectors will therefore depend on the ability to engineer optimized systems for cellular delivery in physiological environments. Progress in non-viral vector design for gene delivery requires a deep understanding of the various barriers associated with nucleic acid delivery, including cell surface interaction, internalization, endosomal escape, cytosolic transport, nuclear localization, unpackaging, etc. Further, it requires a knowledge of vector design properties (surface chemistry, charge, size, shape, etc.) and how these physical parameters affect interactions with the cellular environment. Of these interactions, charge is shown to govern how particles are internalized and subsequently processed, thereby affecting the intracellular fate and efficacy of delivery. Charge also affects the in-serum stability where negative zeta potential improves stability and circulation time. Therefore, it is important to understand the effects of polyplex charge and other parameters on the internalization and intracellular fate of polyplexes for gene therapy. In chapter 2, studies are performed to delineate the effects of polyplex charge on the cellular internalization and intracellular processing of polymer-mediated gene delivery. Charge is shown to affect the endocytic pathway involved in internalization, and the caveolin-dependent and macropinocytosis pathways lead to higher gene delivery efficacy, likely due to avoidance of acidified compartments such as late endosomes and lysosomes. In chapters 3-4, novel nanoparticles carrying DNA, RNA, and antioxidants are assessed for therapeutic effect with an emphasis on studying the internalization mechanisms and resulting effect on efficacy. Novel RNA delivery agents are shown to benefit from EGFR-targeting aptamer and nanoceria/PEI hybrids are demonstrated to provide simultaneous antioxidant and gene therapy. Finally, chapter 5 demonstrates the use of silencing RNA and CRISPR/Cas9 genome editing to study the prevalence of gene targets in vivo. The overall goal of this work is to contribute to the design and application of novel nanoparticles for gene delivery and offer insight into the engineering of novel polyplexes. It remains clear that route of internalization is key to successful gene delivery, and designing polyplexes to enter through non-acidified endocytic pathways is highly beneficial to transgene expression. This can be achieved through incorporation of surface chemistries that trigger internalization through targeted pathways and is the source of further work in the lab.

Thesis (MSc (Genetics))--Stellenbosch University, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: Haliotis midae is the most important aquaculture species in South Africa, with abalone farming contributing 80% of the Rand value of the aquaculture industry. Although genetic research has benefited the abalone industry, several issues still hinder increases in abalone production. Progress towards an increase in H. midae growth rate by utilizing conventional genetic studies and selective breeding has been relatively slow. Gene transfer has therefore become a plausible option to address this problem. Genes that code for certain desirable traits, such as increased growth rate, could be incorporated into the genome of commercial abalone. The current study undertook the optimization of a chemically-mediated gene transfer technique using Polyethylenimine (PEI) as transfection reagent and fluorescent proteins as reporter genes. Before gene transfer could be undertaken, several complementary studies also needed to be undertaken due to the novel nature of the study. The auto fluorescence of H. midae, the suitability of several H. midae tissues as targets for gene transfer and the cytotoxic effect of transfection reagents and selection antibiotics were assessed before gene transfer optimization could be attempted. Also, genes linked to an increase in growth rate were characterized for differential expression in different abalone age-groups to determine the suitability of these genes for incorporation into a homologous gene construct in future transfection studies. The auto fluorescence of ova, embryos and larvae were found to be comparable to that of the fluorescent reporter genes, EGFP and DsRed. A PCR-based transfection validation method was therefore employed to confirm the presence of internalized transgenes. It was established that sperm, ova, larvae and haemocyte cell culture were the most suitable target tissues for transfection. The transfection reagents, a 25kDa PEI and ExGen 500, were not cytotoxic to sperm, embryos and haemocyte cell cultures. The minimum lethal concentration of the selection antibiotics, neomycin and zeocin, was determined for larvae and haemocytes. After transfection treatment of sperm and fertilization of untreated ova, the presence of internalized transgenes could be verified for larvae. The presence of internalized transgenes could not be detected after transfection treatment of ova and larvae. Fluorescent flow cytometry and microscopy analysis of haemocytes could not detect the expression of the fluorescent reporter genes. Expression of two of the growth related genes was found to differ between age-groups. The perlustrin gene was upiv regulated in older animals, while the insulin related peptide receptor gene was down regulated in older animals. The third gene, a thrombospondin-1 precursor was stably expressed in all age-groups. This study represents the first report of transfection studies carried out on H. midae. Future studies will benefit from the groundwork established in H. midae transfection. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Haliotis midae is die belangrikste akwakultuur spesie in Suid-Afrika met perlemoen boerdery wat 80% van die Rand waarde van die akwakultuur industrie bydrae. Alhoewel genetiese studies die perlemoen industrie ‘n hupstoot gegee het, is daar steeds sekere struikelblokke wat verdere toename in produksie verhoed. Vooruitgang ten opsigte van ‘n toename in H. midae se groei tempo deur gebruik te maak van konvensionele genetiese studies en selektiewe teling was tot dusver relatief stadig. Genetiese transformasie het daarom ‘n wesenlike alternatief geword wat moontlik hierdie probleem kan oplos. Gene wat kodeer vir sekere eienskappe, soos ‘n toename in groeitempo, kan in die genoom van kommersiële perlemoen inkorporeer word. Die huidige studie het onderneem om ‘n chemies-gemedieerde genetiese transfeksie tegniek te optimiseer en van Polyethylenimine (PEI) as transfeksie reagens en fluoresserende proteine as verklikkers gebruik te maak. As gevolg van die oorspronklikheid van die studie moes verskeie bykomende ondersoeke ook aangepak word voordat genetiese transfeksie uitgevoer kon word. Die outofluoressensie van H. midae, die geskiktheid van verskeie H. midae teiken weefsels en die sitotoksiese effek van die transfeksie reagense en seleksie antibiotika is ondersoek voordat transfeksie uitgevoer is. Gene gekoppel aan ‘n toename in groeitempo is ook gekarakteriseer vir verskille in uitdrukking in verskillende perlemoen ouderdoms-groepe om te bepaal of hierdie gene moontlik in ‘n homoloë geen konstruk ingesluit kan word vir toekomstige transfeksie studies. Dit is gevind dat die outofluoressensie van ova, embrios en larwes vergelykbaar is met die fluoressensie van die verklikker proteïene, EGFP en DsRed. ‘n PKR-baseerde metode om die internalisering van die transgeen te kontroleer is daarom gebruik. Dit is vasgestel dat sperm, ova, larwes en haemosiete die mees geskikte teiken vir transfeksie sou wees. Die transfeksie reagense, ‘n 25kDa PEI en Exgen 500, is nie sitotoksies vir sperm, embrios of haemosiete nie. Die minimum dodelike konsentrasie van die seleksie antibiotika, neomycin en zeocin, is bepaal. Na transfeksie behandeling van sperm en bevrugting van onbehandelde ova, kon die teenwoordigheid van internaliseerde transgene bevestig word vir larwes. Die teenwoordigheid van internaliseerde transgene kon nie bevestig word na transfeksie behandeling van ova en larwes nie. Fluoressente vloei sitometrie en mikroskopiese analise kon nie die uitdrukking van die fluoressente verklikker gene bevestig in haemosiete nie. Die uitdrukking van twee van die gene gekoppel aan groei het verskil tussen ouderdomsgroepe. Die perlustrin geen is meer uitgedruk in ouer diere terwyl die insulien geassosieerde peptied reseptor geen minder uitgedruk is in ouer diere. Die thrombospondin-1 voorloper geen is stabiel uitgedruk in al die ouderdomsgroepe. Hierdie studie verteenwoordig die eerste verslag van transfeksie studies uitgevoer op H. midae. Toekomstige studies sal baat vind by die grondslag wat deur hierdie projek gelê is.

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<p>The subject of this thesis was to develop and optimize delivery systems for plasmid DNA (pDNA) based on biocompatible polymers, in particular chitosan, suitable for non-viral gene therapy. At the onset of this thesis, studies had reported conflicting results on the efficiency of chitosan-based gene delivery systems. Therefore, structure-property relationships of chitosans as non-viral gene delivery systems <i>in vitro</i> and after lung administration <i>in vivo</i> were established for the first time.</p><p>Polymer-pDNA complexes (polyplexes) based on conventional high molecular weight chitosans transfected cells <i>in vitro</i> and after lung administration <i>in vivo</i>. The chitosan polyplexes were, in contrast to polyplexes formed with the "golden standard" polymer polyethylenimine (PEI), essentially non-toxic at escalating doses. However, a very high physical stability of the chitosan-pDNA complexes together with a low buffering capacity of chitosan at the slightly acidic endo/lysosomal pH resulted in a slow onset of the gene expression and also in a lower efficiency of gene expression compared to PEI polyplexes. A slow and biodegradation-dependent release of pDNA from the chitosan polyplexes was concluded to be a rate limiting step for the efficiency of high molecular weight chitosan. The optimized polyplexes of high molecular weight chitosan (around 1,000 monomer units) showed aggregated shapes and gave increased viscosity at concentrations used for <i>in vivo</i> gene delivery. To improve the pharmaceutical properties and the delivery properties of chitosan polyplexes, low molecular weight chitosans were studied. Chitosans of around 18 monomer units retained the ability to protect pDNA against DNase degradation, but were more easily dissociated than those of higher molecular weight and had an efficiency comparable to that of PEI <i>in vitro</i> and <i>in vivo</i>. The pharmaceutical advantages of low molecular weight chitosan polyplexes compared to higher molecular weights are that there is less aggregation and no increased viscosity at the concentrations used for <i>in vivo</i> gene delivery. Coupling of an oligosaccharide targeting ligand to chitosan further increased the efficiency of some oligomer polyplexes. In conclusion, biocompatible chitosan is an interesting alternative to other non-viral gene delivery systems such as PEI.</p>

The subject of this thesis was to develop and optimize delivery systems for plasmid DNA (pDNA) based on biocompatible polymers, in particular chitosan, suitable for non-viral gene therapy. At the onset of this thesis, studies had reported conflicting results on the efficiency of chitosan-based gene delivery systems. Therefore, structure-property relationships of chitosans as non-viral gene delivery systems in vitro and after lung administration in vivo were established for the first time. Polymer-pDNA complexes (polyplexes) based on conventional high molecular weight chitosans transfected cells in vitro and after lung administration in vivo. The chitosan polyplexes were, in contrast to polyplexes formed with the "golden standard" polymer polyethylenimine (PEI), essentially non-toxic at escalating doses. However, a very high physical stability of the chitosan-pDNA complexes together with a low buffering capacity of chitosan at the slightly acidic endo/lysosomal pH resulted in a slow onset of the gene expression and also in a lower efficiency of gene expression compared to PEI polyplexes. A slow and biodegradation-dependent release of pDNA from the chitosan polyplexes was concluded to be a rate limiting step for the efficiency of high molecular weight chitosan. The optimized polyplexes of high molecular weight chitosan (around 1,000 monomer units) showed aggregated shapes and gave increased viscosity at concentrations used for in vivo gene delivery. To improve the pharmaceutical properties and the delivery properties of chitosan polyplexes, low molecular weight chitosans were studied. Chitosans of around 18 monomer units retained the ability to protect pDNA against DNase degradation, but were more easily dissociated than those of higher molecular weight and had an efficiency comparable to that of PEI in vitro and in vivo. The pharmaceutical advantages of low molecular weight chitosan polyplexes compared to higher molecular weights are that there is less aggregation and no increased viscosity at the concentrations used for in vivo gene delivery. Coupling of an oligosaccharide targeting ligand to chitosan further increased the efficiency of some oligomer polyplexes. In conclusion, biocompatible chitosan is an interesting alternative to other non-viral gene delivery systems such as PEI.

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